Будівельні матеріали

Істинна густина металів змінюється в широких межах: найлегшим є калій – 0,86 г/см³, найважчим – осмій (22,5 г/см³).

Висока електропровідність металів пояснюється наявністю  вільних електронів, що переміщуються в потенціальному полі решітки. Висока теплопровідність металів обумовлюється рухливістю вільних електронів, а висока пластичність – періодичністю їх атомної будови та відсутністю спрямованості металевого зв’язку. Наприклад, при прокатуванні залізного бруска товщиною 80…100 мм отримують дріт товщиною 4 мм та менше.

4.2.3. Фізико-хімічні  основи отримання чорних металів і сплавів на їх основі

Чавун – це сплав заліза з вуглецем, вміст якого становить  понад 2,14 %. Його виплавляють в доменних печах. Принцип одержання чавуну в доменній печі полягає у відновленні  заліза, насиченні його вуглецем та іншими домішками – марганцем, сіркою, фосфором.

Вихідними матеріалами  для виробництва чавуну є залізні руди, флюсуючі матеріали й паливо. Залізна руда – це порода, яка містить різну кількість заліза у вигляді його хімічних сполук.

У доменному виробництві  застосовують такі руди: магнітний залізняк (Fe₃O₄), що містить заліза 70 %, червоний залізняк (Fe₂O₃) – до 60 %, бурий залізняк (2Fe₂O₃·3Н₂О) – до 40 %.

Для зниження температури  плавлення пустої породи і відокремлення її від металу в доменну піч подають флюси (крейда, вапняк). Введені в шахту доменної печі флюси утворюють з пустою породою руди сплав, який відокремлюють від металу у вигляді шлаків.

Як паливо у доменному  виробництві застосовують кокс.

У процесі плавлення залізної руди кокс, з’єднуючись з киснем повітря, інтенсивно згоряє і утворює вуглекислий газ, який відновлює оксиди феруму до чистого заліза за схемою

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO→Fe.

Головними реакціями  відновлення є:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂↑;

Fe₃O₄+ СО = 3FeO + СО₂↑;

FeO+ СО = Fe + СО₂↑;

Fe₂O₃+ 3СО = 2FeO + 3СО₂↑.

При цьому відновлюються  також інші сполуки, що містяться в руді.

При температурі 1130 ^оС чавун (сплав заліза з вуглецем в кількості 2,14…6,67 %) розплавляється.

У процесі доменної плавки можна  одержати: переробний (білий) чавун  у кількості до 90 %, який використовують для виробництва сталі; ливарний (сірий) чавун – 8…15 %; феромарганець і дзеркальний чавун, які використовують як домішки при виробництві сталі.

Існує декілька способів виробництва  сталі, в тому числі мартенівський, конвертерний і електросталеплавильний. Виробляють киплячу, спокійну та напівспокійну сталь.

4.2.4. Класифікація і характеристика чавунів

Білі чавуни – це сплави, в яких вуглець знаходиться у зв’язаному стані – у вигляді цементиту. Ці чавуни мають високу твердість і крихкість, практично не обробляються ні різанням, ні тиском. Проте значна кількість цементиту обумовлює високу зносостійкість білих чавунів. Цей матеріал переробляють на сталь і сірі чавуни.

Сірі чавуни характеризуються наявністю у структурі вуглецю у вільному стані – у вигляді графіту пластинчатої форми. Чим більше графіту, тим нижчі механічні властивості чавуну. Ось чому кількість карбону не повинна перевищувати 3,8 %, але для забезпечення ливарних якостей його повинно бути не менше 2,4 %.

Сірі чавуни поділяють  на сірі, високоміцні, леговані, ковкі.

Незважаючи на низькі механічні властивості, сірі чавуни мають ряд позитивних якостей: низька собівартість, високі ливарні якості, добрі антифрикційні властивості, висока корозійна стійкість, жаростійкість.

Ковкий чавун отримують  з білого тривалим відпалюванням  при високих температурах.

Маркують ковкі чавуни літерами КЧ, за якими вказують дві групи цифр. Першою позначено межу міцності, другою – відносне видовження у процентах. Наприклад, КЧ 350-10 – ковкий чавун міцністю 350 МПа, відносне видовження складає 10 %.

Високоміцні чавуни отримують  модифікуванням, тобто перед розливанням  у рідкий чавун додають домішки  магнію або церію (до 1%). За ДСТУ 3925-98 високоміцні чавуни маркують літерами ВЧ і двома групами цифр: першою позначено границю міцності при розтягу, другою – відносне видовження. Наприклад, ВЧ 800-2 - високоміцний чавун міцністю 800 МПа, відносне видовження складає 2 %.

4.2.5. Класифікація  вуглецевих сталей

Залежно від вмісту шкідливих  домішок сірки і фосфору вуглецеві сталі поділяють на:

• сталі звичайної якості (S ≤ 0,05%, P ≤ 0,04%);
• якісні сталі (S ≤ 0,04%, P ≤ 0,35…0,04%);
• високоякісні сталі (S ≤ 0,02%, P ≤ 0,03%).

Вуглецеві сталі, повністю розкислені після виплавлення, називають спокійними (СП), розкислені частково – напівспокійними (НС) і киплячими (КП). Спокійні сталі твердіють без помітного виділення газів. Їм притаманні кращі міцнісні властивості, але вища вартість.

Сталі звичайної якості  дешеві, їх використовують у мостобудуванні у вигляді зварних, клепаних чи болтових конструкцій (швелери, балки, труби, листи, апарати, каркаси парових котлів, конструкції підйомних кранів).

Маркування таких сталей починається з літер Ст. (сталь), а далі – цифри від 0 до 6. Ці цифри позначають умовний номер марки сталі, залежно від хімічного складу і механічних властивостей. Чим більша цифра, тим більше у складі сталі вуглецю і тим вища міцність. Для позначення ступеня розкислення сталі після цифри ставлять індекси: кп – кипляча, сп – спокійна, нс – напівспокійна. Зварні конструкції виготовляють із спокійних чи напівспокій них низьковуглецевих сталей типів Ст1, Ст3, Ст.

Між індексом, який вказує на ступінь розкислення, і номером марки може стояти літера Г, що означає підвищений вміст мангану. Наприклад, ВСт3Гнс2.

Сталі звичайної якості поділяють на три групи: група  А – з нормованим складом; Б  – з нормованими властивостями; В – з нормованими механічними властивостями і хімічним складом. Сталь кожної групи додатково поділяють на категорії залежно від нормованих показників.

Основою для будівельних  зварних конструкцій є сталь  групи В. Для неї встановлені  такі марки: ВСт2, ВСт3, ВСт3Гнс, ВСт4, ВСт5.

Якісні сталі поділяють на конструкційні й інструментальні.

Конструкційні сталі  маркують цифрами 08, 10, 15, 20…80, 85, які відповідають середньому вмісту вуглецю у сотих частках процента.

Вуглецеві інструментальні  сталі маркують за літерою У і  цифрою, що вказує на вміст вуглецю  у десятих частках процента: У7, У10, У11, У12, У13.

Із збільшенням вмісту вуглецю зростає міцність і твердість  сталей, але знижується пластичність і зварюваність. Для покращення властивостей вуглецевих сталей до їхнього складу вводять спеціальні легуючі елементи, наприклад, домішки алюмінію, молібдену, мангану, купруму, кобальту, хрому. Залежно від вмісту цих домішок розрізняють сталі: низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5…10 %)  й високолеговані (більше 10 %).

Марка легованої сталі  означає її приблизний хімічний склад: цифри перед літерами – середній вміст вуглецю, збільшений у 100 разів; цифри після літер – вміст легуючої домішки у процентах. Наприклад, марка 09Г2СД розшифровується так: карбону 0,09%, мангану до 2 %, силіцію до 1 %, купру му до 1%.

4.2.6. Вироби із сталі

Сталеві конструкції  виготовляють з прокатних виробів, а також із гнутих і зварних профілів (ДСТУ ЕN 10079-2002).

Найчастіше використовують прокатні вироби: сортову сталь, листову  сталь, спеціальні види прокату, труби. З прокатних виробів збирають колони, балки, бункери, башти, трубопроводи, резервуари тощо.

Сортова сталь включає  профілі масового попиту (круглу, квадратну, куткову), швелери, двотаври й профілі спеціального призначення (рейки). Найлегші кутикові профілі мають розміри 20×20 мм і товщиною 3 мм, найважчі – відповідно 250×250 та 30 мм.

Двотаври й швелери вибирають за номерами, що відповідають їхній висоті в сантиметрах. Номери двотаврів змінюються від 10 до 60, швелерів – від 5 до 40. Двотаври прокатують завдовжки до 19 м, а швелери – до 18 м.

Листову сталь залежно  від товщини листів поділяють  на товстолистову (4…160 мм), тонколистову (0,2…4 мм), універсальну широкополицеву (4…60 мм), рулонну й рифлену. Ширина листів - 8500 мм, довжина - до 12 м. Найширше у будівництві використовують сталеві листи завтовшки до 40 мм.

Металочерепиця –  це багатошаровий виріб, що використовується для влаштування покрівель. Виготовляється з гарячеоцинкованої холоднокатаної листової сталі товщиною 0,5 мм, покритої після пасивації і ґрунтування шаром кольорового полімерного покриття. Довжина панелі 500…8000 мм, крок - 275…450 мм.

4.2.7. Кольорові метали та сплави і матеріали на їхній основі

Кольорові метали, на відміну від чорних, мають вищу пластичність при нормальних температурах, більшу стійкість проти корозії, більш тепло- і електропровідні, мають нижчу температуру плавлення. У будівництві кольорові метали використовують у вигляді сплавів.

Алюміній  і його сплави. Щільність алюмінію – 2,7 г/см³, температура плавлення – 660 ^оС. Алюмінієвими рудами є боксити, нефеліни, апатити й алуніти.

Силуміни – сплави алюмінію з кремнієм (в кількості 4…13 %). Ці сплави мають високі ливарні  якості, малу усадку і пористість, тверді й міцні.

Магналії – сплави алюмінію з магнієм, які відрізняються  здатністю до зварювання і високою корозійною стійкістю.

Авіалії – сплави алюмінію з магнієм та силіцієм. Дюралюміни – сплави алюмінію з міддю та магнієм. Ці сплави мають високу міцність, але меншу корозійну стійкість  порівняно з магналіями.

Сплави алюмінію використовують для виготовлення зварних деталей, трубопроводів, бункерів та інших деталей і виробів.

Вироби й конструкції з алюмінієвих сплавів є антимагнітними, вогне- та сейсмостійкими, при ударі не дають іскор. Вони економічні, мають гарниййзовнішній вигляд, не потребують додаткової обробки лицьової поверхні, легко обробляються різанням.

Останнім часом алюміній набуває широкого використання у  будівництві для виготовлення конструкцій, в тому числі панелей зовнішніх  стін і покриттів безперервного типу, підвісних стель, збірно-розбірних та листових конструкцій.

Вироби з алюмінієвих  сплавів у вигляді листового  прокату, гнутих і пресованих профілів широко застосовують для виготовлення огороджувальних конструкцій та вікон і дверей.

 

Мідь – це метал щільністю 8,94 г/см³, температура плавлення – 1083 ^оС.

Латунь – сплав  міді з цинком. Бронзи – це сплави міді з такими легуючими елементами, як олово, алюміній, берилій, силіцій. Ці сплави застосовують для виготовлення таких виробів, як пружини, мембрани, слюсарний інструмент тощо.

 

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1. Обґрунтувати можливість використання нікелю та сплавів на його основі для виготовлення газопроводів і хімічної апаратури.

2. Навести приклади  використання сплавів на основі  титану.

3. Розшифрувати марки  сталі 09Г2СД; Ст3нс2; 1Х18Н9; 35ХН3МА.

4. Привести номенклатуру  прокатних виробів.

 

 

Лекція 5

 

НЕОРГАНІЧНІ В'ЯЖУЧІ  РЕЧОВИНИ

5.1. Фізико-хімічні  закономірності формування складу й структури мінеральних в’яжучих речовин

До неорганічних в’яжучих речовин належать переважно порошкоподібні матеріали, що утворюють при змішуванні з водою або іншою рідиною (наприклад, розчинами солей, лугів і кислот) пластичне тісто, яке внаслідок певних фізико-хімічних процесів перетворюється у каменеподібне тіло.

Процес твердіння в’яжучих речовин починається з тужавіння пластичного тіста (ущільнення і загуснення) з поступовим перетворенням його у каменеподібне тіло, що здатне з часом набирати міцності за рахунок протікання процесів структуроутворення.

За теорією О.О.Байкова, твердіння в’яжучих речовин здійснюється за змішаним механізмом: спочатку продукти гідратації знаходяться у колоїдному стані, а потім має місце їхня перекристалізація у більш стабільні сполуки.

5.2. Класифікація  неорганічних в’яжучих речовин

Повітряні в’яжучі  речовини можуть тверднути й набирати міцності у повітряно-сухих умовах. До них належать гіпсо-ангідритові в’яжучі речовини, повітряне вапно та його різновиди, магнезіальні в’яжучі речовини та розчинне скло.

Гідравлічні в’яжучі  речовини тверднуть і зберігають (або підвищують) міцність після тужавіння в повітряно-сухих умовах і наступного витримування у воді. До них належать гідравлічне вапно, романцемент; портландцемент та його різновиди, пуцолановий цемент, шлакопортландцемент, композиційний цемент; глиноземистий та розширні цементи.

В’яжучі речовини автоклавного твердіння здатні тверднути й утворювати міцний камінь в автоклавах (в умовах підвищених температур, тиску і вологості). До таких в’яжучих речовин належать вапняно-кремнеземисті, вапняно-шлакові й вапняно-зольні.