Илья Мельников
Металлические строительные материалы и изделия

Введение

   Строительные материалы являются основой строительства. Для возведения зданий и сооружений требуется большое количество разнообразных строительных материалов, стоимость которых достигает почти 60 % всей стоимости строительно-монтажных работ. Промышленность строительных материалов представляет собой сложный комплекс специализированных отраслей производства, изготовляющих большое количество продукции.
   Качество строительных, в том числе и отделочных работ, зависит от тщательного выполнения их технологии, от того, насколько правильно применены строительные материалы. Знание возможностей и эффективности использования конкретных строительных материалов позволяет проектировать и возводить долговечные сооружения, удовлетворяющие современным техническим требованиям и эстетическим запросам. Виды строительных материалов и технология их изготовления изменялись вместе с развитием производственных сил и сменой производственных отношений в обществе. Простейшие материалы и примитивные технологии заменялись более совершенными, на смену ручному изготовлению пришло машинное.
   За тысячи лет до нашей эры в массовом строительстве использовали кирпич-сырец, в монументальных постройках – горный камень и лишь в конструкциях перекрытий и опор долгое время применяли дефицитное дерево. Так, для строительства в странах Востока в основном использовали, предварительно обработанную и для придания прочности смешанную с рубленой соломой, глину. Такой глиной обмазывали стены, из нее лепили крыши.
   Качество и долговечность сооружения существенно повышало применение высушенных или обожженных глиняных кирпичей. Со временем ассортимент строительных материалов расширялся и видоизменялся. Так, вместо традиционных мелкоштучных тяжелых материалов было организовано массовое производство относительно легких крупноразмерных строительных деталей и конструкций из сборного железобетона, гипса, бетонов с легкими заполнителями, ячеистых бетонов, бесцементных силикатных автоклавных бетонов и др. Широкое развитие получило производство гипсокартонных материалов улучшенного качества, звукопоглощающих и декоративных материалов, гидроизоляционных материалов и изделий. В современном строительстве расширяется использование эффективных видов металлопроката, изделий из древесины, керамических и неметаллических материалов.
   Быстрыми темпами развивается производство и применение в строительстве полимерных материалов различного назначения, пластмасс и смол. Создаются предприятия по выпуску теплоизоляционных материалов и легких заполнителей. Все больше в строительстве используется для наружной и внутренней отделки зданий стекло и изделия из него. Для этих целей изготавливают стекломрамор, цветное стекло, ситаллы, шлакоситаллы, мозаичные стеклянные плитки широкой цветовой гаммы. Растет выпуск и применение керамических облицовочных материалов за счет внедрения новых процессов декорирования, расширения гаммы цветных глазурей, создания рельефных рисунков и орнаментов. Увеличивается производство крупноразмерных плиток.
   Разнообразие конструктивных типов зданий и сооружений требует, чтобы сырье для производства строительных материалов было недорогим и пригодным для изготовления широкого диапазона изделий. Таким требованиям отвечают многие виды нерудного минерального сырья, занимающего по объему запасов значительное место среди полезных ископаемых, например, силикаты, алюмосиликаты и др. Добыча нерудного строительного сырья, залегающего в основном в верхней части осадочного покрова, является технологически несложной. По сравнению с другими обрабатывающими отраслями невысок и уровень затрат на переработку этого сырья из расчета на единицу массы готовой продукции.
   Наиболее эффективным является комплексное использование одного вида добываемого нерудного сырья для производства продукции различного назначения. Это подтверждается, например, внедрением метода переработки нефелинового сырья в глинозем для получения алюминия, содопродуктов и цемента. Значительный эффект дает и комплексная переработка сланцев в бензин, фенолы, цемент и серу. Промышленная отрасль производства строительных материалов является единственной отраслью, которая не множит, а потребляет промышленные отходы, такие как зола, шлаки, древесные и металлические отходы для получения изделий различного назначения. При изготовлении строительных материалов используют также побочные продукты – глину, щебень, песок и др., полученные при добыче руд и угля. Комплексное использование сырья является безотходной технологией. Эта технология позволяет осуществить природоохранные мероприятия и многократно увеличить эффективность производства.
   Постоянно возрастающий объем строительства, все возрастающие требования к его качеству требуют от строителей разных специальностей высококвалифицированного подхода, высокого уровня теоретических знаний и профессиональной подготовки, а также умелого сочетания их в повседневной работе.
   Целью книги является ознакомление специалистов в области строительства с основными строительными материалами, их многогранными свойствами и характеристиками, технологией изготовления, а также опытом использования для применения в практических делах. Материал изложен на базе последних достижений в сфере технологии изготовления строительных материалов и изделий, освещены основные направления их совершенствования.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

   В настоящее время с возрастанием экономического потенциала страны строительству и строительным материалам уделяется очень много внимания. Современное строительство характеризуется высоким развитием научно-технической базы, обеспечивающей быстрый рост разработки новых эффективных строительных материалов, совершенствования технологии их производства, стремлением перенести значительную часть строительных процессов в условия производства, что позволяет значительно облегчить и улучшить условия труда, сократить его затраты и снизить стоимость продукции. Чем шире ассортимент, выше качество и ниже стоимость строительных материалов, тем успешнее осуществляется строительство. В процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они возводятся, подвергаются различным физико-механическим, технологическим и химическим воздействиям. Поэтому от специалиста требуется умение со знанием дела правильно выбирать строительные материалы, изделия или конструкции, обладающие достаточной стойкостью, надежностью и долговечностью в конкретных условиях эксплуатации. Для этого необходимы специальные знания используемых материалов и изделий, перечень контролируемых свойств, их показатели, виды и классификации выпускаемой продукции.
   Чтобы легче разобраться в многообразии материалов, применяемых в строительстве, их классифицируют (разделяют) на группы, обладающие одним общим признаком. В основном применяют классификацию по технологическому признаку. В основу такой классификации положены вид сырья, из которого изготовляют материалы и производственная технология, обеспечивающая получение материала. Строительные материалы классифицируют:
   – по назначению (отделочные, конструкционные, гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, герметизирующие, антикоррозионные);
   – по виду материала (древесные, каменные, полимерные, металлические, стеклянные, керамические и др.);
   – по способу получения (природные и искусственные).
   Природные строительные материалы добывают в местах их естественного образования (горные породы), или роста (древесина). Состав и свойства этих материалов в основном зависят от происхождения исходных пород и способа их обработки и переработки.
   Искусственные строительные материалы изготавливают из природного минерального и органического сырья (песка, глины, нефти, газа, известняка и т.д.) и промышленных отходов (шлаков, золы и др.) по специальной технологии. Полученные искусственные материалы приобретают новые свойства, отличные от свойств исходного сырья.
   Возможность использования материалов в строительных конструкциях и изделиях в значительной степени определяется его свойствам. Свойства материалов определяются составом и структурой материала. Структуру материала изучают на микроуровне при помощи микроскопов и на макроуровне – визуально.
   Микроструктура зависит от состава и может быть нестабильной, оцениваемой по вязкости и пластичности (лакокрасочные материалы, цементное тесто). Со временем она переходит в более устойчивую структуру: аморфную (стекло), характеризующуюся однородностью и хаотичным расположением молекул, или стабильную – кристаллическую (металлы, камень).
   Кристаллическая структура представляет собой кристаллическую решетку со строго определенным расположением атомов. Одним из основных показателей кристаллических решеток является прочность. На свойства материалов большое влияние оказывают форма, размеры и расположение кристаллов. Мелкокристаллические более однородны и стойки к внешним воздействиям. Крупнокристаллические материалы, например металлы, имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов, как у сланцев, обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используется при получении отделочных плиточных материалов.
   Микроструктуру искусственно полученных материалов можно целенаправленно регулировать в зависимости от задаваемых свойств и назначений изделий.
   Макроструктура материала зависит от технологии получения материала и сырья. Так, стекло обладает плотной макроструктурой, пеносиликат – ячеистой, пластики – слоистой, песок и гравий – рыхлозернистой. Однако, имея одно и то же основное исходное сырье, например, глину, и изменяя технологию, можно получить облицовочные плитки плотной структуры, стеновой мелкопористый кирпич и теплоизоляционный ячеистый материал – керамзит.
   Свойства материалов условно разделяют на физические, механические, химические и технологические.
   Физические свойства характеризуют вещество и структуру материала, а также его способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения химического состава и структуры материала. Основными из них являются:
   – общефизические свойства: плотность (истинная, средняя, насыпная), объемная масса, относительная плотность, пористость (общая, открытая, замкнутая);
   – гидрофизические свойства: влагоотдача, водопоглощение, морозостойкость, воздухостойкость, гигроскопичность, гидрофобность, гидрофильность, межзерновая пустотность, гидрофобность, влажность, водонепроницаемость, водостойкость, фильтрационная способность (водопроницаемость);
   – теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость;
   – акустические свойства: звукопоглощение, звукоизоляция, виброизоляция, вибропоглощение;
   – механические свойства: предел прочности на сжатие, растяжение, изгиб, твердость, износ, сопротивление удару, упругость, истираемость;
   – химические свойства: коррозионная стойкость, химическая активность, растворимость, кристаллизация;
   – технологические свойства: вязкость, пластичность, ковкость, свариваемость, гвоздимость, набухание и усадка, хрупкость и др.
   Кроме того, физические свойства включают и механические свойства, которые характеризуют поведение материала при действии на него различных нагрузок. К механическим свойствам относятся: сопротивление материала сжатию, растяжению, изгибу, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Физические свойства строительных материалов

   Плотность. Плотность может быть истинной, средней, насыпной, относительной. Под истинной плотностью (кг/м куб.) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала без трещин, пор и пустот. Истинная плотность (кг/м куб.) для основных строительных материалов следующая: сталь, чугун 7800…7900; портландцемент 2900…3100; гранит 2700…2800; песок кварцевый 2600…2700; кирпич керамический 2500…2800; стекло 2500…3000; известняк 2400…2600; древесина 1500…1600.
   Средняя плотность – это масса единицы объема материла или изделия в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами. Средняя плотность одного и того же материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности. Сыпучие материалы (цемент, щебень, песок и др.) характеризуются насыпной плотностью – отношением массы зернистых и порошкообразных материалов в свободном без уплотнения насыпном состоянии ко всему занимаемому ими объему, включая пространство между частицами.
   От плотности материала в значительной степени зависят его прочность, теплопроводность и другие свойства. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств и др. Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах.
   Средняя плотность (кг/м куб.) для некоторых строительных материалов следующая: сталь – 7800…7850; гранит – 2600…2800; бетон тяжелый – 1800…2500; кирпич керамический – 1600…1800; песок – 1450…1650; вода – 1000; бетон легкий – 500…1800; керамзит – 300…900; сосна – 500…600; минеральная вата – 200…400; поропласты – 20…100.
   Плотность материала зависит от его пористости и влажности. С увеличением влажности плотность материала увеличивается.
   Относительная плотность – это степень заполнения веществом объема материала. Относительную плотность выражают отвлеченным числом или в процентах.
   Пористость. Пористость материала характеризует объем, занимаемый в нем порами – мелкими ячейками, заполненными воздухом. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно судить о примерной прочности, плотности, водопоглощении, долговечности и др. Для конструкций, от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость, используют плотные материалы, для стен зданий используют материалы со значительной пористостью. Такие материалы обладают хорошими теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами.
   Для рыхлых материалов при расчетах учитывают насыпную объемную массу. Пористость и относительная плотность в значительной степени определяют эксплуатационные качества материалов (прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность). Значение показателя пористости строительных материалов колеблется от 0 (стекло, сталь) до 90 % (минеральная вата).
   Пустотность. Пустотность представляет собой количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала. Выражается в процентах по отношению ко всему занимаемому объему. Этот показатель важен для керамзита, песка, щебня при изготовлении бетона. В некоторых строительных материалах (кирпич, панели) имеются полости, также образующие пустоты. Пустотность пустотелого кирпича составляет от 15 до 50 %, песка и щебня – 35…45 %.

Гидрофизические свойства материалов

   Гигроскопичность. Гигроскопичность представляет собой свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Она зависит от вида, количества и размера пор, от природы материала, от температуры воздуха и его относительной влажности. Когда влажность снижается, часть гигроскопичной влаги испаряется. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности, и следовательно, выше гигроскопичность. Материалы, притягивающие своей поверхностью воду, называют гидрофильными; материалы, отталкивающие воду называют гидрофобными
   Водопоглощение. Водопоглощение является способностью материала впитывать и удерживать воду. Величина водопоглощения характеризуется разностью между массой образца, насыщенного водой и массой сухого образца. Водопоглощение строительных материалов изменяется в зависимости от объема пор, их размеров и вида. Различают объемное водопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.
   Массовое водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Так, массовое поглощение обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20 %, бетона – 2 – 3 %, торфоплит – 100 % и больше. Вода, попавшая в поры материала, увеличивает его объемную массу и теплопроводность, уменьшает морозостойкость и прочность. Некоторые материалы, в частности, затвердевшие глиняные растворы, разрушаются в воде.
   Водопроницаемость. Водопроницаемость является свойством материала, характеризующим его способность пропускать воду под давлением. Она характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м кв. площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Это свойство учитывают при строительстве дамб, мостов, плотин и других гидротехнических сооружений. Сталь, стекло, большинство пластмасс, битум и другие плотные материалы водонепроницаемы.
   Влагоотдача. Влагоотдача представляет собой способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха. Чем разность больше, тем интенсивнее происходит высушивание. На влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества. Материалы с крупными порами, а также гидрофобные материалы легче отдают воду, чем гидрофильные и мелкопористые. Влагоотдача строительного материала в естественных условиях характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 0С.
   Воздухостойкость. Воздухостойкостью называется способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Бетон, керамика и другие природные и искусственные каменные материалы, а также надводные части гидросооружений, дорожные покрытия, сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются из-за возникновения растягивающих напряжений.

Теплофизические свойства

   Теплопроводность материала. Теплопроводностью называют свойство материала пропускать тепло через свою толщину. Теплопроводность материала принято характеризовать величиной коэффициента теплопроводности. Этот коэффициент показывает количество тепла в в килокалориях, проходящего за 1 ч через 1 м кв. материала толщиной 1 м при разности температур на ее противоположных поверхностях в 1 0С. Как правило, коэффициент теплопроводности выше для плотных материалов и ниже для пористых. Влажность материала резко (до 10 раз) увеличивает его теплопроводность, что объясняется значительной теплопроводностью воды. Когда влажные материалы замерзают, их теплопроводность возрастает еще значительнее.
   Морозостойкость. Под морозостойкостью понимают способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, то есть не образуя трещин, выкрашивания, расслаивания, не теряя значительно прочности и массы. Вода, находящаяся в порах материала, превратившись в лед, увеличивается в объеме примерно на 10 %. При этом в материале возникают большие внутренние напряжения, которые постепенно его разрушают. Способность материала противостоять морозному разрушению зависит от присутствия в его структуре определенного объема замкнутых пор, в которые под давлением растущих кристаллов льда вода отжимается.
   Морозостойкость материала в строительстве количественно оценивается маркой F – числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы без снижения прочности на 5…25 % и массы на 3…5 % в зависимости от назначения материала. По морозостойкости установлены следующие марки: тяжелый бетон – F50…F500, легкий бетон – F25…F500, стеновые керамические камни, кирпич – F15…F100.
   Морозостойкими являются плотные или с малым водопоглощением (до 0,5 %) материалы. Морозостойкость характеризуется количеством циклов попеременного замораживания материала до температуры – 15 0С и оттаивания его в воде при температуре 20 0С. Прочность материала в результате этого понизиться не должна более чем на 20 %, а потеря массы – превысить 5 %.
   Огнестойкость. Огнестойкость является способностью материала выдерживать, не разрушаясь, воздействие огня и воды в условиях пожара. К строительным материалам (стены, перекрытия, колонны и др.) предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания по пожаробезопасности. Огнестойкость оценивают по показателю возгораемости. Этот показатель основан на нескольких признаках предельного состояния: потере несущей способности, которая выражается в снижении прочности и увеличении деформаций, а также теплоизолирующих свойств и сплошности.
   Предел огнестойкости материалов и конструкций характеризуется временем, выраженном в часах с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния. По степени огнестойкости различают сгораемые, трудносгораемые и несгораемые материалы.
   Сгораемыми называют материалы, которые под действием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (например, древесина, рубероид).
   Трудносгораемыми являются материалы, способные гореть, тлеть и обугливаться только при непосредственном действии на них источника огня или высокой температуры и прекращающие гореть после удаления этого источника (например, фибролит).
   Несгораемыми считаются материалы, которые не воспламеняются под действием огня или высокой температуры, а только разрушаются. К ним относятся бетоны, строительные растворы, кирпич, стеклянные и керамические плитки.
   Огнеупорность является свойством материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности строительные материалы подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. К огнеупорным относятся материалы, выдерживающие продолжительное воздействие температуры от 1580 0С и выше. Тугоплавкие выдерживают температуру 1350 – 1580 0С, огнеупорность легкоплавких материалов ниже 1350 0С.
   Жаростойкость. Жаростойкость – это способность материала выдерживать без разрушений определенное количество резких колебаний температуры – теплосмен. Теплосмены являются единицей измерения этого свойства.

Механические свойства строительных материалов

   Прочность. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия на материал внешних нагрузок или других факторов. В построенном здании почти все конструкции испытывают нагрузки (вес частей здания, вес оборудования, вес мебели и др.), вследствие чего в материалах конструкций возникают напряжения, противодействующие внешним силам.
   Основными показателями, характеризующими прочность материала, являются сопротивление сжатию, растяжению, изгибу. Прочность материала при сжатии и растяжении характеризуется его пределом прочности. Предел прочности, или временное сопротивление, – напряжение в материале образца, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.
   Предел прочности различных материалов при сжатии и растяжении меняется в широких пределах – от 0,5 до 1000 МПа и более. Для многих материалов предел прочности при сжатии резко отличается от предела прочности при растяжении. Одинаково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению такие материалы, как сталь, древесина. Плохо сопротивляются растяжению каменные материалы: природный камень, кирпич, бетон и т.п.
   Примером прочности конструкции при изгибе может служить мост, доска через канаву, а также балка, на которую опираются плиты перекрытия, стропила крыши.
   Твердость. Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Существуют несколько способов определения твердости. Например, твердость каменных материалов оценивают шкалой Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим материалом.

Шкала твердости Мооса

   1 Тальк или мел (легко чертится ногтем).
   2 Гипс или каменная соль (чертится ногтем).
   3 Кальцит или ангидрит (легко чертится стальным ножом).
   4 Плавиковый шпат (чертится стальным ножом под небольшим нажимом).
   5 Апатит (сталь) (чертится стальным ножом под большим нажимом).
   6 Полевой шпат (слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится).
   7 Кварц (легко чертит стекло, стальным ножом не чертится).
   8 Топаз.
   9 Корунд.
   10 Алмаз.
   Износ. Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергаются материалы дорожных покрытий, полов промышленных предприятий, аэродромов и др.
   Сопротивление удару. Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в дорожных покрытиях и полах. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Технологические свойства строительных материалов

   Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, древесина хорошо обрабатывается инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность сверлиться, обтачиваться, свариваться, склеиваться. Глиняные, бетонные и иные смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.
   Вязкость. Вязкость – это сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние слои также вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление, величина которого зависит от температуры и вещественного состава. Вязкостные свойства важны при использовании органических вяжущих веществ, природных и синтетических полимеров, красочных составов, масел, клеев. При нагревании вязкость этих материалов снижается, при охлаждении – повышается.
   Упругость. Упругость является свойством материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считается напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины.
   Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы закончится. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и др.

Акустические свойства строительных материалов

   Акустические свойства проявляются при действии звука на материал. Акустические материалы по назначению могут быть звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие и виброизолирующие.
   Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Их акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, падающей на поверхность материала в единицу времени. Как правило, такие материалы имеют большую пористость или шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук. Строительные материалы, у которых коэффициент звукопоглощения выше 0,2, называют звукопоглощающими.
   Звукоизолирующие материалы. Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Звукоизоляционные материалы оценивают по двум показателям: относительной сжимаемости под нагрузкой в процентах и динамическому модулю упругости.
   Вибропоглощающие и виброизолирующие материалы предназначены для предотвращения передачи вибрации от машин и механизмов к строительным конструкциям.
   Ниже приводятся некоторые свойства строительных материалов.

Химические свойства строительных материалов

   Химические свойства характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы. Основные химические свойства: растворимость и стойкость к коррозии (кислотостойкость, щелочестойкость, газостойкость).
   Растворимость. Растворимость – это способность материала растворяться в жидких растворителях: воде, керосине, бензине, масле и других, образовывая новые растворы. Растворимость зависит от химического состава веществ, давления и температуры. Показателем растворимости является произведение растворимости, представляющее собой предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.
   Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.
   Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.
   Кристаллизация. Кристаллизия представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.
   Долговечность. Долговечность представляет собой способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Старение – это процесс постепенного изменения, ухудшения свойств материалов в условиях эксплуатации.
   Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, корроизонной стойкости и др.
   Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.
   Вследствие проникновения химических реагентов из внешней среды внутренние химические реакции с образованием новых соединений могут значительным образом отразиться на структуре. Изменение структуры (микроструктуры и макроструктуры) в первый период может привести к псевдоупрочнению, а в дальнейшем – к сокращению долговечности материала. Применяемый в строительстве материал обычно подвергают технологической обработке. Cпособность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.
   Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.
   Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.
   Свойства материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.
   Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.
   Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.
   Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.
   Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.
   Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.
   Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.
   Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.
   Все материалы и изделия выпускают по государственным и межгосударственным стандартам – ГОСТ, СТ СЭВ, ИСО, СТБ, СНБ. Деятельность стандартизации существует для повышения качества продукции, безопасности ее получения и безопасности. Методы испытаний также стандартизированы. Кроме этого, в строительстве существуют «Строительные нормы» и «Технические нормативные правовые акты», представляющие собой объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Свойства металлов и сплавов

Металлами называются вещества, обладающие металлическим блеском, пластичностью, высокой прочностью, электропроводностью, теплопроводностью, ковкостью, свариваемостью и другими свойствами. Эти свойства обусловлены крупнокристаллическим строением и абсолютной плотностью этих материалов. У металлов много достоинств. Металлические элементы составляют почти 3/4 всех существующих в природе элементов, но не все находят широкое применение в строительстве. Некоторые из них встречаются очень редко. Из наиболее ценных и важных для строительства и техники лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий, железо, магний, титан и др. В строительстве металлы применяются в виде металлопроката и металлических изделий. Свойства металлов и сплавов делятся на физические, механические, технологические, химические.

Физические свойства металлов

   К физическим свойствам металлов относят:
   – плотность;
   – температуру плавления;
   – цвет;
   – блеск;
   – непрозрачность;
   – теплопроводность;
   – электропроводность;
   – тепловое расширение.
   По плотности металлы разделяются на легкие и тяжелые. По температуре плавления – на легкоплавкие (температура плавления не превышает 700 0С) и тугоплавкие – свыше 900 градусов. К легкоплавким – относятся олово, кадмий, свинец, цинк, магний и алюминий. К тугоплавким – относятся серебро, золото, медь, никель, железо, самым тугоплавким считается вольфрам.
   Каждый металл или сплав обладает присущим ему цветом. Иногда для обогащения цвета применяют не сам металл, а его оксиды или другие химические соединения. Оксидирование позволяет получить различные оттенки желтых, зеленых, синих, голубых, фиолетовых, красных, коричневых, черных цветов, достаточно прочных и стойких к внешним воздействиям.
   При применении металлов в строительстве, конструировании и производстве изделий большое значение имеют их механические свойства, которые характеризуются прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью и выносливостью.
   Свойство металлов выдерживать различные нагрузки, не разрушаясь, представляют прочность или крепость металлов. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл не разрушаясь, называется пределом прочности или временным сопротивлением. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.
   Упругость представляет собой свойство металла принимать свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Наибольшее напряжение металла, после которого по окончанию испытаний на разрывной машине он возвращается к своей первоначальной длине, называется пределом нагрузки. Наибольшей упругостью обладает хромоникелевая закаленная сталь. Алюминий и медь упругостью не обладают.
   Свойство металлов под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму, размеры и сохранять остаточные пластические деформации после устранения этих сил называется пластичностью. Пластичность металла характеризуется удлинением образца за время испытания. Это свойство металлов имеет большое значение при прокатке, волочении и штамповке. Почти совершенно отсутствует это свойство у чугуна.
   Твердость является способностью металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки. От этого свойства зависит возможность обработки металла тем или иным инструментом. Испытания металлов на твердость проводят на специальных твердомерах несколькими способами. Наиболее распространены способы Бриннеля, Роквелла, Шора.
   Способ Бриннеля заключается в том, что в испытуемый металл при помощи специального пресса вдавливают под определенной нагрузкой закаленный шарик диаметром 2,5, 5 или 10 мм и выдерживают в течение 30 секунд. Число твердости, которое обозначается буквами НВ, есть отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
   Способом Роквелла определяют твердость путем вдавливания в металла алмазной призмы или стального шарика, но отсчет ведется не по площади, а по разнице глубины отпечатка между глубиной от стандартной нагрузки, равной 10 кг, и заданной. Число твердости показывает индикатор. Способом Шора твердость определяют при помощи склерометра. В этом случае на испытуемый металл с определенной высоты падает стальной боек. Твердость металла характеризуется высотой, на которую отскакивает боек. Чем тверже металл, тем больше высота отскока. Этот способ удобен тем, что не портит поверхности и может применяться к готовым изделиям.
   Выносливость представляет собой способность металлов выдерживать, не разрушаясь, большое количество повторяющихся переменных нагрузок.

Механические свойства металлов

Механические свойства металлов зависят от вида нагрузки, условий ее действия и температуры окружающей среды. При нагревании прочность металлов понижается, а пластичность в большинстве случаев увеличивается. На холоде у некоторых металлов резко падает пластичность, и они становятся хрупкими. Хладоломкими металлами являются сталь некоторых марок, цинк и его сплавы; нехладоломкими – алюминий, медь; хрупкими – металлы, обладающие хрупкостью и при нормальных условиях, например, серый чугун.

Технологические свойства металлов

   Под технологическими свойствами металлов понимают способность металлов обрабатываться различными приемами и методами без особых затруднений. Наиболее существенными для металлов являются следующие свойства:
   – жидкотекучесть;
   – густоплавкость;
   – литейная усадка;
   – ковкость;
   – спекаемость;
   – свариваемость;
   – обрабатывание резанием;
   – способность шлифоваться и полироваться.
   Спекаемость представляет собой свойство, в результате которого образуется металлокерамика. При этом металлы, предварительно измельченные в порошок, смешивают как с металлами, так и неметаллами, запрессовывают в специальные формы и подвергают действию высокой температуры до спекания. Таким способом производят особо твердые стойкие сплавы. Свариваемость – это способность металла прочно соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. Чистые металлы свариваются легче, сплавы – труднее. Легко свариваются изделия из малоуглеродистой стали. Чем выше процент содержания в стали углерода, тем свариваемость ее хуже. Наиболее трудной считается сварка высокоуглеродистых легированных сталей и чугуна.

Химические свойства металлов

Из химических свойств металлов наиболее важными являются растворение и окисление. Растворение, или разъедание, является способностью металлов и сплавов растворяться в сильных кислотах и щелочах. Окисление является способностью металлов соединяться с кислородом и образовывать окислы металлов. Окисление металлов характеризует антикоррозийную стойкость к воздействию окружающей среды: газов, воды и т.д.
Благодаря знанию физических, механических, технологических и химических свойств металлов и сплавов, многие дефекты при эксплуатации изделий из металлов, а также при их обработке, могут быть предупреждены.

Сплавы металлов

Все сплавы металлов условно подразделяют на черные и цветные. К черным сплавам относятся сплавы железа с углеродом. Основным компонентом в них является железо. Содержание углерода определяет два больших класса железоуглеродистых сплавов – стали (менее 2,14 %) и чугуны (свыше 2,14 %). Кроме углерода, черные металлы в небольшом количестве могут содержать кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы. Для придания черным металлам специфических свойств к ним добавляют некоторые легирующие вещества – медь, никель, хром и др.
К цветным – относятся все остальные металлы и сплавы. Цветные металлы и сплавы подразделяются по плотности на легкие и тяжелые. К легким – относятся сплавы на основе алюминия, магния, к тяжелым – на основе свинца, меди, олова, никеля.

Черные металлы

Железо. Железо представляет собой блестящий серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. При температуре 768 0С железо намагничивается, а при дальнейшем нагревании теряет ферромагнитные свойства. В сухой среде почти не окисляется, но при наличии в воздухе влаги и кислорода покрывается коричневым слоем ржавчины, состоящим из водосодержащего окисла железа. Структура этого слоя пористая, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока весь металл не превратиться в ржавчину. Коррозия (при наличии кислорода) происходит и в воде. Если железо подогреть до температуры свыше 650 градусов, на его поверхности образуется хрупкий черный слой окалины.
Железо растворяется в соляной кислоте, а в концентрированных серной и азотной кислотах покрывается защитным слоем, который предохраняет железо от дальнейшего разъедания. Железо и его сплавы – сталь и чугун, относящиеся к черным металлам, занимают важное место в современном строительстве.

Сталь

   К стали относятся сплавы железа с углеродом и некоторыми другими элементами, содержащие до 2,14 % углерода. В стали также присутствуют примеси кремния, марганца, серы, фосфора и др. По химическому составу сталь делится на две большие группы: углеродистую и легированную.
   Свойства углеродистой стали зависят в основном от содержания в ней углерода. Эта сталь разделяется на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. Сера придает стали повышенную хрупкость при нагреве, а фосфор повышает ее хрупкость при пониженных температурах.
   По назначению сталь бывает:
   – конструкционная (для изготовления деталей машин и строительных конструкций);
   – инструментальная (для изготовления инструмента);
   – сталь с особыми свойствами (для деталей специального назначения) (жаропрочная, кислотоупорная, износоустойчивая и др.).
   Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества маркируются буквами Ст и цифрами от 0 до 6, указывающими на среднее содержание углерода, качественная сталь – буквами Ст и цифрами от 20 до 60, конструкционная автоматная сталь – буквой А (автоматная) и цифрами до 20.
   Для повышения качества стали вводят специальные (легирующие) примеси. Применение легированной стали, обладающей повышенной прочностью и износоустойчивостью, увеличивает долговечность деталей и конструкций, уменьшает вес изделий и их стоимость.
   Марки легированной стали обозначаются буквами и цифрами. Первые две цифры слева указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, одна цифра впереди – на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буквы справа указывают на наличие легирующих элементов и обозначают: Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, У – углерод, Ф – ванадий, Х – хром, Ю – алюминий. Цифры после букв обозначают приблизительное процентное содержание соответствующего элемента.
   Буква А в конце служит для обозначения высококачественной стали с пониженным содержанием серы и фосфора. Например, 30ХМА обозначает легированная хромомолибденовая сталь высокого качества. Обозначение марки легированной стали, например, 25ХГ2С, которую используют для арматуры предварительно напряженных железобетонных конструкций, показывает, что в ней содержится 0,25 % углерода, 1 % хрома, 2 % марганца и 1 % кремния. Первые две цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента, а остальные цифры показывают содержание легирующего элемента, стоящего перед цифрой в целых процентах.
   Инструментальные стали служат для изготовления режущего, мерительного, ударного и иного инструмента. В соответствии с условиями работы инструмента, а также в зависимости от обрабатываемого материала различают следующие инструментальные стали: углеродистые инструментальные, легированные инструментальные, быстрорежущие, штамповые, стали для измерительных инструментов. Химическим элементом, определяющим твердость углеродистой инструментальной стали, является углерод, а сами стали различают по классам: а) качественная углеродистая инструментальная сталь; б) высококачественная углеродистая инструментальная сталь.
   Для строительных целей применяют следующие основные виды стали:
   – углеродистую сталь обыкновенного качества;
   – углеродистую горячекатанную для мостостроения;
   – углеродистую толстолистовую и широкополосную, термически обработанную;
   – углеродистую качественную конструкционную;
   – низколегированную конструкционную и др.
   Высоколегированные стали подразделяются на нержавеющие, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные и сплавы с высоким электросопротивлением.
   Чугун. Чугун выплавляют в доменных печах. Он представляет собой сложный состав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором, содержащий более 2,14 % углерода. В практике применяют чугуны с содержанием углерода до 4,5 %. Исходным материалом для получения чугуна служат железная руда, топливо (каменноугольный кокс, древесный уголь) и флюс (известняк). Процесс плавки заключается в восстановлении железа и его оксидов, находящихся в руде, науглероживании восстановленного железа углеродом топлива (в коксе находится до 80 % углерода) и отделения пустой породы.
   По структуре чугун делят на белый, серый, ковкий и высокопрочный.
   В белом (передельном) чугуне большая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита. В изломе белый чугун имеет светло-серый, почти белый цвет, очень тверд, хрупок, плохо обрабатывается режущим инструментом, не поддается сварке, ограниченно применяется в качестве конструкционного. Выплавляется в основном для переделки в сталь (из-за чего его иногда называют еще передельным). Небольшое количество белого чугуна идет также для получения ковкого чугуна.
   Серый, или литейный, представляет собой чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Он мягок, хорошо обрабатывается, обладает хорошими литейными качествами, в изломе имеет темно-серый цвет.
   Ковкий чугун вырабатывается из белого и является его разновидностью. Получают его из белого чугуна путем специального отжига при температуре 800 0С, при котором устраняются хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, и повышается вязкость. Ковкий чугун по своим механическим свойствам приближается к стали, являясь одновременно более дешевым материалом.
   Высокопрочный, или модифицированный, чугун получают из серого чугуна специальной обработкой – введением в жидкий чугун магния, кремния, никеля, кобальта, меди и других элементов, повышающих его прочность и пластичность. Обладает хорошими литейными качествами, подвергается почти всем видам термической обработки, приближаясь по свойствам к углеродистым сталям, хорошо обрабатывается резанием.
   По химическому составу чугуны подразделяются на нелегированный, малолегированный, среднелегированный, высоколегированный. В нелегированном чугуне содержатся примеси марганца (не более 2 %), кремния (не более 4 %), хрома (0,1 %) и никеля (0,1 %). В малолегированном суммарное количество легирующих элементов не превышает 3 %. В среднелегированном – от 7 % до 10 %; в высоколегированном – более 10 %. Благодаря легирующим элементам, повышается прочность чугуна, особенно при ударных нагрузках, и усиливается его антикоррозийная стойкость.
   Маркировка чугунов производится буквами и цифрами. Приняты следующие буквенные обозначения: Ч – чугун, С – серый, К – ковкий, В – высокопрочный. Цифрами указываются механические характеристики чугуна. Марки строительных чугунов следующие: СЧ – серый чугун, МСЧ – модифицированный (высокопрочный) серый чугун. Механические свойства чугуна: марки СЧ – от 120 – 280 до 280 – 480, а МСЧ – от 280 – 480 до 380 – 600. Первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, МПа, а вторые – предел прочности при изгибе, МПа).
   Кроме достоинств, которые позволяют широко использовать металлы и сплавы в строительстве (прочность, пластичность, свариваемость, электропроводность, теплопроводность и др.), металлы и сплавы имеют и недостатки, к которым относятся относительно низкая коррозионная стойкость по отношению к газам и водным растворам кислотного характера, хрупкость при низких температурах и деформированность при высоких и др. В строительстве металлы и сплавы используют при возведении каркасов промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, изготовления железобетонных и металлических конструкций, кровельной стали, труб, а также для изготовления различных металлических изделий, гвоздей, болтов, винтов, шурупов и т.д. Различный профиль алюминия применяют для изготовления несущих и ограждающих конструкций.

Строение металлов и сплавов

   Все металлы и металлические сплавы имеют кристаллическое строение со строго определенным расположением атомов, образующих правильную кристаллическую решетку. Такое упорядоченное расположение атомов отличает кристаллические материалы от аморфных, например, стекла, в которых атомы расположены беспорядочно.
   Используемые в технике металлы состоят из большого числа кристаллов правильной и неправильной формы, которые называют зернами, или кристаллитами. В 1 см куб. металла содержатся десятки тысяч кристаллитов. Так как в кристаллической решетке атомы расположены правильно, то их число в элементарной кристаллической ячейке в разных направлениях будет неодинаково. Поэтому многие свойства кристаллов – механические, химические, магнитные и др. – в указанных направлениях также различны. По границам между зернами металла правильность строения кристаллической решетки нарушается. Кроме того, даже в химически чистом металле содержатся примеси инородных атомов, которые искажают кристаллическую решетку. Эти нарушения приводят к значительному снижению прочности.
   При нагревании, приводящем к разрушению кристаллической решетки, металлы способны переходить в вязкопластичное состояние, а при охлаждении расплава – возвращаться в кристаллическое. Такой переход происходит при строго определенной температуре, которую называют температурой плавления или кристаллизации. Кристаллы начинают образовываться во многих местах. Вначале они растут свободно, не мешая друг другу, имеют геометрическую правильную форму и отличаются размерами и ориентировкой. По мере увеличения кристаллы соприкасаются, рост одних мешает росту других, в результате чего правильная форма нарушается.
   Некоторые металлы, например, олово, железо, способны при повышении температуры изменять форму и расположение кристаллов в твердом состоянии. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в решетке, что сопровождается изменением физико-механических свойств металла, называется аллотропией.
   Металлы способны образовывать сплавы. Сплавы представляют собой сложные по составу соединения, образовавшиеся в результате взаимодействия двух или нескольких металлов с некоторыми неметаллами. Наибольшее применение в строительстве нашли сплавы меди, алюминия, чугуна, стали. Свойства металлов и сплавов зависят от их состава и микроструктуры.
   Для получения сплавов с заданными свойствами, а также оценки надежности работы металлических конструкций применяют макроскопический и микроскопический анализы. Макроскопический анализ проводят на специально подготовленных образцах невооруженным глазом или используют лупу с увеличением до 30 раз, изучая структуру сплава по излому. Металлы имеют зернистый, кристаллический излом. По размерам зерен на поверхности излома можно судить об особенностях выплавки и литья, термообработке, качестве сварки.
   Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры и состава металлов и сплавов при помощи специальных оптических и электронных микроскопов. В этом случае увеличение может достигать 3000 раз и более.
   Изучая свойства металлов и сплавов, большое внимание уделяют исследованию процессов их разрушения при действии газообразных и жидких сред в условиях обычной и высоких температур. Эти работы очень важны, так как, по данным специалистов, ежегодно более 30 % производственного металла идет на восстановление потерь от коррозии, а более 12 % составляют потери безвозвратные.

Коррозия металлов и способы антикоррозионной защиты

   Наряду с ценными техническими свойствами металлы, особенно сталь и чугун, при действии различных газов и влаги корродируют, то есть разрушаются. Чтобы потери от коррозии свести к минимуму, необходима специальная защита. Этому способствует применение новых высококачественных материалов и повышение долговечности конструкций за счет проведения противокоррозионной защиты.
   Коррозия начинается с поверхности металла и распространяется вглубь, что нередко приводит к аварии. Поэтому основной задачей, стоящей перед противокоррозионной техникой, является повышение надежности защищаемого оборудования, сооружений и строительных конструкций. Интенсивность коррозионного разрушения зависит от следующих факторов:
   – химического состава и микроструктуры металла или сплава;
   – химического состава окружающей среды и процентного содержания в ней агрессивных веществ – кислорода, кислот, щелочей;
   – температуры окружающей среды.
   В зависимости от причин, вызывающих разрушение, коррозия может быть химической, электрохимической и биологической. По характеру коррозионной среды различают газовую, атмосферную, жидкостную и почвенную коррозии.
   Поверхностное разрушение металла при высокой температуре под действием газов или органических жидкостей (спирта, бензина, керосина, масел, нефти, мазута и др.) называют химической коррозией. Например, процесс окисления при высокой температуре металлической арматуры печей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, лопаток газовых турбин, появления окалины на поверхности металла и т.д.
   Электрохимическая коррозия металлических изделий происходит в различных водных растворах, проводящих электрический ток. Это наиболее распространенный вид коррозии. Она наблюдается в атмосферных условиях, в море, в почве, в грунтовых водах, в растворах различных солей и кислот. Коррозия может возникать также при контакте двух разнородных металлов или в результате химической неоднородности. Каждый металл имеет определенные электрические свойства, которые характеризуются рядом напряжений. При контакте двух металлов разрушается тот, которой стоит ниже в ряду напряжений. Например, железо в ряду напряжений стоит выше хрома и цинка, но ниже меди и серебра. Следовательно, при контакте железа с хромом или цинком будет разрушаться хром или цинк, а при контакте железа с медью или серебром – железо. Степень разрушения будет зависеть от температуры, вида и концентрации электролита.
   Значительная часть строительных металлических конструкций и изделий (каркасы и крыши зданий, фермы мостов, арматура в железобетоне) подвержена электрохимической коррозии, которая происходит оттого, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, при контакте с электролитом переходят в раствор в форме ионов, вызывая разрушение металла. Кроме этого, причиной разрушения металлических конструкций может быть также накопление их на поверхности продуктов жизнедеятельности микроорганизмов: органических кислот, сульфидов, сероводорода, аммиака – это биологическая коррозия.
   Коррозийное разрушение может быть следующих видов:
   – равномерное, протекающее по всей поверхности с одинаковой скоростью;
   – неравномерное – сплошное, скорость которого на отдельных участках зависит от структуры сплава и наличия дефектов на поверхности изделий;
   – локальное, наблюдаемое на отдельных участках поверхности металла или сплава.
   Для предотвращения коррозии необходимо устранить следующие условия, ее вызывающие: неоднородность строения, наличие дефектов на поверхности изделий, неравномерность освещения и теплового нагрева. Необходимо применять специальные легирующие добавки, выполнять электрохимическую защиту и обработку коррозийной среды, создавать защитные покрытия. Особенно внимательно необходимо относиться к защите закладных деталей и арматуры.
   Так, стальная арматура до ее применения для защиты от коррозии должна быть надежно защищена от атмосферных осадков и других источников влаги. Высокопрочную арматуру следует хранить в сухих закрытых складских помещениях. Не допускается хранение такой арматуры на земляном полу, на загрязненных агрессивными веществами подкладах, а также вблизи местонахождения или выделения аэрозолей, солей, газов. Допускается хранение без ограничения относительной влажности воздуха высокопрочной арматуры в атмосфере, насыщенной парами летучих ингибиторов, которая может быть создана под герметизированными колпаками, во временных хранилищах, защищенных от атмосферных осадков.
   Коррозионное поражение арматуры допускается только в том случае, при котором налет ржавчины может быть удален путем протирки сухой ветошью. При невыполнении этого условия высокопрочную арматуру подвергают специальной проверке на склонность к хрупкому коррозионному разрушению.
   Защита арматуры от коррозии, т.е. ее длительная сохранность в процессе эксплуатации железобетонной конструкции, в значительной мере зависит от технологии ее изготовления, за исключением тех случаев, когда используются специальные защитные покрытия на поверхности арматуры.
   Чтобы защитить арматуру, используемую в ячеистых и силикатных бетонах автоклавного твердения, применяют защитные покрытия (обмазки) в виде холодной цементно-битумной мастики, горячей ингибированной битумно-цементной или латексно-минеральной обмазки.
   При использовании арматуры с цинковым алюминиевым покрытием не допускается ее правка с помощью станков, вызывающих механическое разрушение покрытия. В случае контактной сварки режим должен быть подобран из условия наименьшего повреждения покрытия. Дуговая сварка арматуры с цинковым алюминиевым покрытием не допускается.
   В конструкциях из бетона плотной структуры на пористых заполнителях и из тяжелого бетона длительная сохранность арматуры обеспечивается путем тщательной фиксации ее в формах так, чтобы отклонение фактической толщины защитного слоя от проектной не превышало предусмотренного ГОСТом. Кроме того, изделия не должны иметь на поверхности дефектов в виде отколов защитного слоя и обнажения арматуры.
   Чтобы обеспечить правильное положение арматуры в форме, применяют специальные фиксаторы многократного и однократного использования. К первым относятся, например, фиксаторы в виде гладких стержней диаметром, равным толщине защитного слоя, которые пропускают через отверстия в стенках формы и извлекают перед окончанием виброуплотнения смеси. Фиксаторы однократного применения изготовляют из металла, цементно-песчаного раствора, а также пластмасс. Для изготовления конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах, применяют фиксаторы из плотного цементно-песчаного раствора или пластмассовые с точечным касанием поверхности бетона.
   Запрещается использование добавок хлористых солей в состав бетона для железобетонных конструкций: с напрягаемой арматурой, с ненапрягаемой проволочной арматурой диаметром 5 мм и менее, эксплуатируемых при относительной влажности воздуха более 60 %, или вблизи источников постоянного тока, изготовляемых с автоклавной обработкой. В первых трех случаях такие добавки могут быть допущены в виде комплексов, содержащих замедлители (ингибиторы) коррозии стали, после проверки специализированными лабораториями.
   Для защиты закладных деталей и соединительных элементов в стыках наружных ограждающих конструкций, подвергающихся увлажнению атмосферой, конденсатом и т.д., рекомендуется защищать металлическими покрытиями – цинковыми и алюминиевыми или комбинированными лакокрасочными покрытиями по металлическому слою покрытиями. При гальваническом способе путем электролитического осаждения создается тонкий защитный слой металла. Например, оцинковывание закладных деталей для железобетонных конструкций. При горячем способе изделия погружают в ванну с расплавленным защитным металлом – оловом, свинцом, цинком. Металлические покрытия, поврежденные при сварке в процессе монтажа конструкций, восстанавливают способом металлизации.
   Легирующие добавки вводят для защиты металлов путем изменения структуры и свойств металлов. Их защитные действия обусловлены образованием на поверхности изделий коррозиостойких оксидных пленок или созданием сплавов, обладающих высокой стойкостью к агрессивным средам.
   В настоящее время для надежной защиты металлических конструкций и деталей, часто применяют металлические покрытия, которые наносят гальваническим и горячим способами, плакированием и металлизацией.
   Распространенным способом защиты в строительстве является металлизация. Метод металлизации состоит в нанесении сжатым воздухом тончайшего слоя распыленного расплавленного металла – цинка, алюминия или иных– на поверхность металлического изделия.
   Плакирование является защитой металла путем термомеханического метода получения двухслойных или многослойных металлов – биметаллов, прочно соединенных между собой по всей плоскости соприкосновения. Металлургические предприятия производят трубы, листы, проволоки, покрытые кремнием, алюминием, цинком.
   Лакокрасочные составы на основе битумов, полимеров и других металлов также защищают металлические и железобетонные конструкции от коррозии. В настоящее время это направление является основным и приоритетным, вследствие экономичности, удобства и простоты нанесения, хорошей стойкости к действию промышленных агрессивных газов. Защитные свойства лакокрасочного покрытия в значительной степени обусловливаются механическими и химическими свойствами, сцеплением пленки с защищаемой поверхностью. При минимальных энергозатратах покрытие получается долговечным и надежным.
   В противокоррозийной технике широко используют перхлорвиниловые и сополимерно-лакокрасочные материала. В зависимости от назначения и условий использования лакокрасочные материалы делятся на следующие группы:
   А – покрытия, стойкие на открытом воздухе;
   АН – покрытия, стойкие на открытом воздухе, применяемые для металлических конструкций, находящихся под навесом;
   Б – бензиностойкие покрытия;
   В – водостойкие покрытия;
   П – покрытия, применяемые для конструкций, находящихся в помещении;
   М – маслостойкие покрытия;
   Т – термостойкие покрытия;
   Х – химически стойкие покрытия;
   ХК – кислотостойкие покрытия;
   ХЩ – шелочестойкие покрытия.
   В качестве противокоррозионной защиты применяются химически стойкие перхлорвиниловые материалы – лаки, эмали, сополимерные грунты, лаки с эпоксидной шпатлевкой. Защитные покрытия получаются при последовательном нанесении на поверхность грунта, эмали и лака. При нанесении пульверизатором толщина слоя покрытия составляет примерно 20 мкм, число слоев – не менее 6. Промежуточная сушка перхлорвиниловых материалов составляет 2…3 часа при температуре 18…20 0С. Окончательная сушка защитного покрытия для открытых поверхностей длится 5 суток, в закрытых помещениях – 15 суток при том же температурном режиме.
   К применяемым составам относятся цинкосодержащие краски и термореактивные краски на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Полиэфирные смолы наносят на поверхность металлических изделий в электрическом поле при помощи распылителя с расположенным внутри источником высокого напряжения.
   Преимущество способа заключается в отсутствии токсичных растворителей и возможности применения безотходной технологии нанесения, отсутствии грунтового слоя, высоком качестве оплавленного, плотного покрытия, обладающего повышенной ударной прочностью, коррозионной стойкостью, адгезией к защищаемой поверхности. В зависимости от назначения покрытие может быть тонкослойным и фактурным, толщиной от 1 мкм до 20 мкм и более.
   При необходимости обеспечения особенно надежной и долговечной защиты применяют комбинированные покрытия – металлические и лакокрасочные.
   Замедляет процесс коррозии введение специальных добавок – ингибиторов. Наиболее распространенным методом защиты от коррозии строительных конструкций, сооружений и оборудования является использование неметаллических химических материалов (поливинилхлорида, винипласта, листовых и пленочных полимерных материалов, резины, полиэтилена), синтетических смол и др. Для правильного использования неметаллических химически стойких материалов необходимо знать их химическую стойкость, а также физико-химические свойства, которые обеспечивают условия совместной работы защищаемой поверхности и покрытия.
   От биоповреждений металлоконструкции защищают мастичные и красочные составы на основе каменноугольной, эпоксидной и поливинилхлоридной смол с добавлением в состав биоцидных добавок.
   Одним из разрушающих факторов, действующих на металлические изделия и конструкции, является огонь. Под влиянием открытого пламени и высокой температуры металлы размягчаются, деформируются и растрескиваются.
   Предел огнестойкости стальных конструкций в зависимости от толщины элементов, сечения и действующих напряжений – 0,1 …0,44 ч. При нагревании в результате воздействия огня несущая способность металлических конструкций снижается из-за уменьшения прочности и упругости металла, а также за счет появления пластических и температурных деформаций.
   Так как металлы несгораемы, но обладают высокой теплопроводностью, их защита от огня состоит в создании на поверхности металлических элементов конструкций теплоизолирующих экранов, обеспечивающих хорошую сопротивляемость огню и высоким температурам.
   Основными средствами огнезащиты являются тяжелые и легкие бетоны, кирпич, цементно-песчаные штукатурки. Эти материалы могут придать конструкции любой предел огнестойкости. Например, чтобы обеспечить предел огнестойкости стальной конструкции 2 ч, необходим слой тяжелого бетона или гипса толщиной 60 мм, штукатурки – 50 мм, кирпича – 65 мм.
   В настоящее время часто применяют теплоизоляционные штукатурки и огнезащитные покрытия на основе глины, жидкого стекла, гипса с использованием вспученного перлита, вермикулита, асбеста и минерального каолинового волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами. Составы наносят на поверхность металлоконструкций распылителем. В зависимости от требуемой огнезащиты (предел огнестойкости от 45 до 150 минут) и толщины металла в конструкции толщина защитного слоя составляет от 8 до 40 мм.
   Перспективными средствами защиты являются вспучивающиеся краски, плитные и листовые теплоизоляционные материалы в виде асбестоцементных и асбестогипсовых облицовочных плит, гипсокартонных и гипсоволокнистых листов.
   Вспучивающие краски, состоящие, например, из растворителя, акрилового полимера и пенообразующего антипирена, на поверхность металлоконструкций наносят тонким слоем 1…1,2 мм. При температуре около 170 градусов краска вспучивается, образуя пористый термоизоляционный слой, толщина которого составляет несколько сантиметров. Благодаря низкой теплопроводности, вспененная масса предотвращает быстрый нагрев металла, увеличивая огнестойкость до 1 часа.

Методы обработки металлов

   В технологии сборного железобетона применяют специальные металлические формы, при изготовлении которых расплавленный чугун или сталь разливают по специальным формам, а затем слитки металла весом от 500 кг до нескольких тонн подвергают дальнейшей обработке давлением или литьем. В результате соответствующей обработки получают изделия требуемых свойств, размеров и форм. Далее изделия соединяют в конструкцию с помощью сварки, клепки или болтов.
   Сварка представляет собой технологический процесс получения неразъемных соединений путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами (молекулами) соединяемых деталей. Существует два основных вида сварки: сварка плавлением (газовая, аргоно-дуговая, высокочастотная, электродуговая) и варка пластическим деформированием (холодная, газопрессовая, ультразвуковая, горновая, контактная, точечная и др.
   В строительстве для соединения стальных конструкций в основном применяют электродуговую сварку, реже газовую и термитную, при которой используется теплота горения термита, доводящая до пластического тестообразного состояния кромки свариваемых деталей.
   Арматуру железобетонных конструкций преимущественно сваривают с помощью контактной электросварки – точечной или стыковой. При сваривании каркасов больших размеров или при соединении стержней большого диаметра применяют электродуговую и газовую сварки.
   Электрическую сварку производят за счет тепла, выделяемого электрическим током. Электрическую сварку делят на сварку сопротивлением, или контактную, и электродуговую. Контактная сварка представляет собой процесс соединения металлических деталей в результате местного сплавления их кромок теплом, которое образуется при прохождении тока через свариваемые детали. Детали при этом сильно прижимают друг к другу. Данный способ применяют при изготовлении арматурных сеток, каркасов и стыковки стальных стержней.
   Существует несколько видов контактной сварки – стыковая, точечная и роликовая. Роликовую сварку в основном применяют для получения плотного соединения листовых деталей. Стержни арматуры железобетона соединяют стыковой или точечной сваркой. Стыковую используют для продольного соединения деталей – наращивания стержней, приварки к торцу их анкеров при изготовлении арматуры предварительно напряженных конструкций или закладных деталей.
   Точечную сварку используют для соединения деталей внахлестку или в месте их пересечения. Чаще всего точечную сварку используют при изготовлении сеток и каркасов арматуры железобетона. При точечной сварке пересекающиеся стержни зажимают двумя электродами и включают электрический ток. Так как электроды обладают более высокой электропроводностью, наибольшее сопротивление прохождению тока окажется в месте пересечения стержней, в результате чего произойдет разогрев металла деталей и их сварка. Из-за большой силы тока точечная сварка происходит в течение доли секунды.
   В случае применения электродуговой сварки один провод от источника тока присоединяют к свариваемой детали, а другой – к электроду. При замыкании цепи между концом электрода и деталью возникает электрическая дуга, в зоне которой температура достигает 6000 0С, в результате чего плавятся кромки деталей и электрод. Металл электрода заполняет зазор между деталями и образует после затвердения сварной шов, прочность которого зависит от глубины провара.
   При электродуговой сварке, которая может быть ручной и автоматической, в качестве электродов применяют специальные угольные или металлические стержни, отличающиеся качеством металла. Угольными электродами сваривают цветные металлы, выполняют наплавку металла или варят тонкие стальные листы. Конструкции и арматуру сваривают металлическим электродом диаметром от 2 до 12 мм, покрытым специальными обмазками из мела, крахмала, каолина, графита. Чтобы удержать обмазку, применяют связующее вещество – жидкое стекло. Обмазка повышает устойчивость горения дуги и образует шлаковую защиту шва, предохраняя расплавленный металл в процессе сварки от окисления.
   Чугуны сваривают чугунными электродами диаметром от 4 до 12 мм. Для сварки алюминиевых сплавов применяют специальную проволоку из алюминия и его сплавов.
   Наряду с преимуществами электродуговая сварка имеет и свои недостатки. Недостатками элекродуговой сварки являются пористость шва и выгорание легирующих компонентов из сплавов во время окислительных процессов, низкая скорость сварки за счет большой зоны разогрева металла, что вызывает коробление изделия, затруднение сварки металлов и сплавов с различными физико-механическими свойствами. Чтобы устранить эти недостатки, применяют электродуговую сварку в газовой среде или под флюсом.
   Газодуговая сварка бывает аргонодуговая и атомно-водородная. При атомно-водородной сварке электрическая дуга возбуждается между двумя вольфрамовыми электродами в среде водорода. Водород стабилизирует электрическую дугу и при заполнении участка свариваемого металла не дает возможность кислороду и азоту воздуха окислять расплавленную массу сварочного шва. Кроме того, молекулярный водород, проходя через область дуги с высокой температурой, расщепляется на атомы, забирая на это большое количество тепла, а подходя к нагреваемому металлу, где температура намного ниже, чем у дуги, атомы водорода соединяются в молекулу, отдавая ранее взятую теплоту непосредственно нагреваемому участку шва, которые при сварке этого вида получаются высокого качества. Как правило, атомно-дуговую сварку применяют для сварки тонкостенных конструкций и высокоуглеродистых сталей.
   В случае применения аргонодуговой сварки электрическая дуга возникает между вольфрамовым электродом и деталью в защитной среде аргона. В качестве присадочного материала берут металл свариваемого изделия. Такая сварка обеспечивает получение шва высокого качества и защиту наплавляемого металла от воздуха. Аргонодуговой сваркой сваривают нержавеющие стали, алюминиевые и окалиностойкие магниевые сплавы, а также соединения, обладающие высокой антикоррозийной стойкостью.
   На качество свариваемых швов существенное влияние оказывает непровар, который получается в результате неправильного режима сварки; пористость, образовавшаяся от насыщения металла газами, окислами и шлаками; трещины в наплавленном и основном металле, возникающие от неправильного ведения сварки; пережог, получаемый от окисления при слишком большой дуге при дуговой сварке и при избытке кислорода при газовой сварке.
   При одном и том же виде сварки свариваемость металла зависит от химического состава, свойств свариваемого металла, применяемых электродов, режима сварки и термической обработки до и после сварки. Окисление углерода может дать газообразные продукты и вызвать пористость шва. Содержание углерода влияет на закаливаемость стали в зоне термического воздействия сварки. Стали с содержанием углерода до 0,25 % свариваются хорошо. Находящиеся в сталях кремний и алюминий могут образовывать при сварке тугоплавкие окислы, которые в наплавленном металле могут оставаться в виде неметаллических включений и этим снижать качество сварки.
   Для выполнения строительных работ часто применяют газовую резку металлов, которую выполняют с помощью автоматов, полуавтоматов и вручную. Сущность газовой резки металлов заключается в нагревании металла до температуры воспламенения в среде кислорода, сжигания его и выдувания образовавшихся оксидов струей кислорода. Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 0,7 % углерода, имеют температуру горения ниже температуры плавления и хорошо поддаются резке.
   В случае повышения содержания углерода более 0,7 % температура горения приближается к температуре плавления и сплавы плохо поддаются резке. Для резки высоколегированных сталей и чугунов применяют флюсокислородную резку. Медь и алюминий резке не поддаются, так как температура горения у них выше температуры плавления.
   Качество сварных соединений проверяют следующими способами:
   – методом внешнего осмотра;
   – методом просвечивания рентгеновскими лучами;
   – с помощью ультразвука.
   В случае применения ультразвукового метода, скорость прохождения звука зависит от плотности шва. Чем шов плотнее, тем быстрее проходит ультразвук.
   Клепкой называется процесс соединения деталей с помощью заклепок. Этот вид соединения относится к группе неразъемных, так как разъединение склепанных деталей возможно только путем разрушения заклепки.
   В строительстве заклепочные соединения широко применяют при изготовлении металлических конструкций мостов, ферм, балок и т.д. Заклепочное соединение может быть подвижным и неподвижным. Неподвижные соединения применяют для жестких конструкций, а подвижные – для получения шарнирных соединений, петель, инструментов.
   Клепка разделяется на холодную, то есть выполняемую без нагрева заклепок, и горячую, при которой перед постановкой на место стержень нагревают до 1000 – 1100 0С. Преимущества горячей клепки заключается в том, что стержень лучше заполняет отверстие в склепываемых деталях, а при охлаждении заклепка лучше стягивает их. Образование замыкающей головки может происходить при быстром (ударная клепка) и медленном (прессовая заклепка) действии сил.
   Место соединения деталей конструкции называется заклепочным швом. В зависимости от характеристики и назначения заклепочного соединения заклепочные швы делятся на прочные, плотные и прочноплотные.
   Прочный шов применяют для получения соединений повышенной прочности для балок, колонн и других ответственных конструкций. Прочность шва достигается тем, что он имеет несколько рядов заклепок.
   Плотный шов применяют для получения достаточно плотной и герметичной конструкции при небольших нагрузках, например, при изготовлении резервуаров, не подвергающихся высоким давлениям и др. Соединения плотным швом обычно выполняют холодной клепкой. Для достижения необходимой герметичности шва применяют различные прокладки или подчеканку шва.
   Прочноплотный шов применяют для получения прочного и вместе с тем непроницаемого для пара, газа, воды и других жидкостей соединения для различных емкостей с высоким внутренним давлением. Такие швы получают горячей клепкой с помощью клепальных машин с последующей подчеканкой головок заклепок и кромок листов металла.
   В каждом заклепочном соединении заклепки располагают в один, два и более рядов. В соответствии с этим заклепочные швы делятся на однорядные, двухрядные, многорядные.
   Процесс клепки состоит из следующих основных операций: правка; разметка отверстий под заклепки; сверления отверстий; предварительной сборки на монтажных болтах; снятия фасок и раззенкования отверстий под потайные головки; ударов молотком по натяжке, плотно сжав склепываемые детали; образование замыкающей головки заклепки, то есть собственно заклепки; удалении излишков металлов и зачистки головки заклепки.
   В последнее время широкое применение находят распространение способы заклепки, при которых обжимки вращаются и обкатывают выступающий конец заклепки или совершают колебательное движение, формируя замыкающую головку.
   Заклепочный шов считается качественным при правильной и плотной постановке заклепок с хорошо оформленными головками без зарубок и забоин на головках и на поверхностях склепанных элементов.
   Болтовые разъемные соединения с помощью гаек и шайб относятся к разряду резьбовых соединений, позволяющих довольно быстро соединять детали строительной конструкции. Разъемное неподвижное соединение может также образовываться при помощи винтов и шпилек. Болтовые соединения могут быть двух групп: с зазором между болтом и отверстием скрепляемых деталей и без зазора в отверстии. Болты первой группы обеспечивают плотность соединения за счет предварительной затяжки гайки. Болты второй группы применяются в том случае, если соединения подвергаются боковым усилиям, а болты работают на срез. Стержень болта в таких соединениях должен сидеть в гнезде очень плотно, без зазоров.
   Гайка представляет собой деталь, имеющую цилиндрическое отверстие с резьбой на внутренней поверхности. Самой распространенной формой гайки является правильная шестигранная призма со срезанными углами оснований. Срезание углов предупреждает задир поверхности скрепляемой части самой гайкой, а при случайном ударе по торцу гайки получаемые деформации не препятствуют наложению гаечного ключа.
   Под гайку обычно подкладывается шайба. Ее назначение – увеличить опорную поверхность под гайкой и предохранить поверхность скрепляемой детали от повреждений. Если обе скрепляемые детали состоят из мягкого материала, то шайбы подкладывают и под гайки, и под головки болтов. Болт, гайка и шайба, соединяющие несколько деталей, образуют болтовое соединение.
   Чтобы получить изделия из металлов, обладающих высокими пластичными свойствами, их обрабатывают давлением, применяя следующие способы обработки:
   – прокат;
   – ковка;
   – волочение;
   – штамповка;
   – прессование.
   Прокат является наиболее распространенным и недорогими способом производства металлических изделий. Прокатывают металл в холодном и горячем состоянии. Его сущность заключается в обжатии металла между вращающимися валками прокатного стана.
   Холодный прокат применяют для металлов, обладающих высокой пластичностью (медь, олово, свинец, алюминий), или для получения тончайших стальных листов.
   При горячем прокате изделия прокатывают при температуре от 900 до 1250 градусов. Способом проката получают большинство стальных строительных изделий: арматуру, балки, прутковую сталь, листовую сталь.
   Ковка является процессом деформации металла под действием повторяющихся ударов молота или пресса. Ковка может быть свободная, когда металл при ударе молота свободно растекается во все стороны, и штампованная, когда металл, растекаясь под ударами молота, заполняет формы штампов. Штамповка позволяет получать изделия очень точных размеров. В условиях строительства применяют в основном свободную ковку при использовании таких деталей, как анкеры, болты, скобы.
   Волочение заключается в протягивании металлической заготовки через отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате этого металл обжимается, а профиль его строго соответствует форме изделия. Способом волочения изготавливают тонкостенные изделия-трубки, круглые, квадратные, шестиугольные прутки, арматуру.
   При волочении в металле появляется наклеп – поверхностное упрочнение металла в результате пластической деформации и строго ориентированного расположения кристаллов. Наклеп повышает твердость стали в поверхностном слое, но снижает пластичность и вязкость. Наклеп применяют на практике при механическом упрочнении арматурной стали.
   При применении прессования металл выдавливают через круглое или фасонное отверстие, форма и размеры которого определяют форму и сечение прессуемого изделия – труб, фасонных профилей из сталей, цветных металлов и их сплавов, а также прутков. Выполняют прессование на механических или гидравлических прессах.
   Почти все металлы и их сплавы могут подвергаться резанию. Под обработкой резанием понимается холодная обработка металлов при помощи ручных инструментов (слесарные работы) или на специальных металлорежущих станках, или, применяя локальное тепловое воздействие. Существуют две группу тепловой резки. К первой группе относят кислородную и кислородно-флюсовую тепловые резки, при которых происходит химическая реакция сгорания железа в струе кислорода. Ко второй – электродуговую, плазменную и лазерную. В этом случае проплавление заготовки происходит за счет использования мощного теплового внешнего источника.

Термическая обработка металлов

   Термическая обработка металлических изделий применятся для улучшения их структуры и придания специально заданных свойств. Она заключается в изменении кристаллической структуры материала путем его нагрева до определенной температуры, некоторой выдержки и охлаждения по заданному режиму. Применяя термическую обработку, можно в широких пределах изменять такие свойства сплава, как прочность, твердость, износоустойчивость, обрабатываемость и другие, т.е. улучшить свойства сплава, требуемые от него заданными конкретными условиями. Режим термической обработки характеризуется значением температуры нагрева, временем выдержки и скоростью охлаждения.
   Основными видами термической обработки металлов и сплавов являются:
   – отжиг,
   – нормализация,
   – закалка,
   – отпуск.
   Отжиг. Отжиг является видом термической обработки, при которой нагревом до или выше температуры в интервале превращений, продолжительной выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением достигается устойчивая структура сплава.
   Полный отжиг стали применяют для понижения твердости, улучшения обрабатываемости, получения мелкозернистой, однородной структуры стали, полного снятия внутренних напряжений и улучшения механических свойств. Он заключается в нагреве стали до 800 – 900 0С, выдержке при этих температурах и последующем медленном охлаждении. Полному отжигу подвергают стальные отливки и штампованные или кованые детали для получения внутренне ненапряженной равномерной структуры.
   Неполный отжиг производится при нагреве до 750 0С. Как правило, этому виду термической обработки подвергаются высокоуглеродистые инструментальные стали. Неполный отжиг снимает остаточные напряжения и уменьшает твердость.
   Нормализация. Нормализация представляет собой вид термической обработки, которая главным образом применяется для стальных изделий. Изделие нагревают примерно до 750 – 950 0С и затем охлаждают на спокойном воздухе. В связи с тем, что скорость охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге, структура стали, подвергнутой этому виду термообработки, отличается большей равномерностью и мелкозернистостью.
   В зависимости от количества углерода, содержащегося в стали, нормализация вызывает различные изменения ее свойств, устраняет внутренние напряжения, повышает пластичность. Для малоуглеродистых сталей нормализация заменяет отжиг, как при этом структура получается примерно такой же, как и после отжига, но процесс протекает значительно быстрее, поэтому он более экономичен.
   Для среднеуглеродистых и высокоуглеродистных сталей нормализация приводит к противоположным результатам по сравнению с отжигом: твердость и прочность при нормализации возрастают. Поэтому нормализация для этих сталей может заменить закалку.
   Нормализация легированных сталей приводит к повышению твердости и является по существу закалкой. Для некоторых изделий нормализация является окончательной термической обработкой, позволяющей хорошо сочетать пластичность и прочность.
   Закалка. Как правило, закалка и отпуск служат для повышения механической прочности и твердости, сохранения достаточной вязкости. Закалка заключается в нагреве стали также до высоких температур, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении в воде или масле, или других закалочных средах с очень высокой скоростью.
   Нагретая до температур 740 – 850 0С сталь структурно представляет твердый раствор углерода в гамма-железе. Если после нагрева сталь медленно охлаждать, то произойдет обратная перестройка атомов, и сталь снова станет мягкой. Этому препятствует быстрое охлаждение. При закалке искусственно сохраняется при обычной температуре строение стали, соответствующее высокому нагреву.
   В зависимости от режима закалки у одной и той же стали можно получить различные структуры и различные свойства. Закалкой можно придать изделию высокую твердость, прочность и износостойкость. Для получения наилучших результатов изделие после равномерного нагревания до температуры 740 – 850 0С быстро охлаждают до 400 – 450 градусов со скоростью не менее 150 градусов в секунду, то есть охлаждение должно произойти за 2 – 3 секунды.
   Охлаждение ниже 300 0С может протекать при любой скорости, так как полученная при закалке структура достаточно устойчива и скорость дальнейшего охлаждения на нее не повлияет. При 18 0С скорость охлаждения в воде достигает 600 0С в секунду, а в масле – до 150 0С в секунду. Иногда для повышения закаливающей способности в воду добавляют 10 % соли или 10 % серной кислоты. Однако следует знать, что чрезмерная скорость охлаждения в холодной воде, так же как и более высокий нагрев, чем это необходимо, приводят к нежелательным результатам – короблению, деформации, разрывам изделия, появлению трещин.
   Нагрев изделий при закалке производят в пламенных и электрических печах токами высокой частоты или пламенем газовой горелки. Для предохранения металла от окисления нагрев выполняют в газовой среде азота или углекислого газа.
   Температуру нагрева контролируют термопарами и оптическими пирометрами. Приблизительно ее можно определить по цвету накала. Интенсивное охлаждение выполняют жидким азотом или другими сжиженными газами при температуре от -75 градусов до -195 0С.
   Отпуск. Отпуск – это одна из операций термической обработки, заключающаяся в нагреве закаленного сплава до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.
   Отпуск смягчает действие закалки, повышает вязкость и уменьшает хрупкость и твердость изделия. Кроме этого, он устраняет или снижает напряжения, вызванные закалкой. Некоторые сплавы, будучи закалены, уже при комнатной температуре отпускаются. Такой отпуск называют естественным. Другие же сплавы требуют нагрева до определенных температур. В зависимости от температуры различают следующие виды отпуска:
   – низкотемпературный (низкий);
   – среднетемпературный (средний);
   – высокотемпературный (высокий).
   Низкий отпуск включает нагрев закаленной стали до 150 – 250 0С и применяется для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости без снижения твердости стали. Чтобы напряжения снять как можно больше, при низком отпуске дается выдержка в 1 – 2 часа. Низкий отпуск (при температуре 200 – 250 0С) часто применяется при изготовлении мерительного и режущего инструмента из углеродистых и малоуглеродистых сталей. Охлаждение после низкого отпуска производится обычным воздухом.
   Средний отпуск включает нагрев закаленной стали до 300 – 400 0С. Это обеспечивает снижение твердости и повышение пластичности и упругости стали. Средний отпуск приводит к более заметному, чем низкий, уменьшению внутренних напряжений. Он применяется как завершающая операция при закалке стальных пружин, инструмента, рессор и других изделий, которые должны иметь значительную прочность и упругость при средней твердости.
   Высокий отпуск производится при температуре 500 – 600 0С. Он дает почти полное снятие внутренних напряжений и наилучшее сочетание прочности и пластичности стали. Этот вид отпуска применяется для деталей, которые изготавливаются из конструкционной стали и подвергаются действию высоких напряжений, особенно при ударной нагрузке.
   При многократном отпуске изделие 2 – 4 раза подвергается нагреву и охлаждению. Эта операция применяется при изготовлении инструмента из быстрорежущей стали.
   При термообработке большое внимание следует обращать на температуру, так как при ее превышении наблюдаются вредные явления – перегрев, а при дальнейшем нагревании – пережог. Перегрев вызывает сильный рост зерен и снижает механические свойства металлов. Структуру перегретого изделия можно исправить путем деформации (механической обработки) с последующим отжигом. Пережог вызывает окисление и оплавление границ зерен, резкое падение крепости и пластичности. Иногда изделие рассыпается. В этом случае изделие подлежит переплавке.

Термомеханическая обработка стали

В последние годы широкое применение получил метод термомеханической обработки стали, который применяют для повышения ее механических свойств. Метод предусматривает нагрев поверхностного слоя стального изделия на нужную глубину, обкатку его роликами, закулку и отпуск. При этом способе обработки растет прочность и пластичность стали.

Химико-термическая обработка стали

   Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава поверхностного слоя стального изделия путем насыщения его каким-либо другим веществом – углеродом, азотом, хромом, цианом с целью повышения твердости, прочности и износоустойчивости, сохранив при этом высокие механические свойства самого изделия.
   Существуют следующие виды химико-термической обработки изделий: цементация, азотирование, цианирование, хромирование, диффузионная металлизация.
   Цементация представляет процесс, при котором происходит насыщение поверхности изделий из стали углеродом при температуре среды 880 – 950 градусов.
   При азотировании происходит высокотемпературное насыщение поверхности изделий из стали азотом при нагревании до 500 – 700 0С в атмосфере аммиака. В результате проведения этой операции повышаются коррозионная стойкость, твердость, износоустойчивость и предел усталости стали. Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие в качестве легирующего вещества алюминий.
   При цианировании происходит параллельное обогащение поверхности азотом и углеродом.
   При хромировании происходит насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование помогает повысить твердость и коррозионную стойкость стали при действии пресной и морской воды, азотной кислоты, окислительной среды при высокой температуре.
   При диффузионной металлизации происходит поверхностное насыщение стали алюминием, кремнием, бором и другими химическими элементами.
   Металлизацию выполняют путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных веществ, находящихся в твердом, жидком или газообразном состоянии. Такая обработка придает поверхностным слоям жаростойкость, износоустойчивость, повышает сопротивляемость коррозии.

Цветные металлы и сплавы

Медь

   Медь представляет собой мягкий и тягучий металл красноватого цвета, который легко обрабатывается давлением и волочением, обладает очень высокой теплопроводностью и электропроводностью. Из меди легко штамповать и чеканить. Она легко принимает самую разнообразную форму. Медь хорошо прокатывается: из нее изготовляются тончайшие листы и ленты, а также различные трубки, прутки, проволока. Однако из-за вязкости медь плохо опиливается и быстро забивает напильник. Обработка чистой меди на режущих станках также трудна – ее плохо точить, фрезеровать и сверлить.
   Отливается медь плохо, даже при высокой температуре остается густой и плохо заполняет форму. Кроме этого, расплавленная медь быстро поглощает газы, и отливки получаются пористыми. В сухом воздухе медь не окисляется. При нагреве свыше 180 0С, а также под воздействием воды, щелочей и кислот медь окисляется.
   На открытом воздухе изделия из красной меди быстро покрываются пленкой из окислов меди зеленого цвета и сернистых соединений меди черного цвета. Эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии в глубину. Обозначают медь буквой М и цифрами от 00 до 4 (М00 – чистая медь без примесей, М4 – до 99 % чистой меди).
   Чистовой обработке, шлифовке, полировке медь подвергается хорошо, однако из-за малой твердости детали из полированной меди быстро теряют блеск. В строительстве медь чаще всего используется в виде сплавов.
   Сплавы меди с цинком называют латунями, все остальные сплавы на медной основе – бронзами. Кроме того, медь добавляют в специальные стальные сплавы.
   Латунь представляет собой сплав меди с цинком (до 45 %) с добавками олова, марганца, алюминия, никеля, железа, кремния и других элементов. В сумме добавки, придающие сплаву определенные физические и механические свойства, могут составлять до 10 %.
   Латуни дешевле меди и превосходят ее по вязкости и коррозионной стойкости. Кроме того, латуни обладают хорошими литейными свойствами. Латуни, содержащие до 38 % цинка, обладают высокой пластичностью и несколько большей прочностью по сравнению с медью. При увеличении содержания цинка повышается твердость, улучшаются литейные свойства латуни, но понижается ее пластичность. В зависимости от химического состава различают простые и специальные латуни.
   Простые латуни обладают высокой пластичностью и обрабатываются давлением, они состоят только из меди и цинка. Маркируются простые латуни буквой Л, за которой стоят цифры, указывающие содержание меди в процентах. Например, Л65 – латунь, содержащая 65 % меди и 35 % цинка.
   Латуни специальные, кроме цинка и меди, содержат 1…8 % различных легирующих элементов, которые улучшают механические свойства и коррозионную стойкость. Легирующие элементы, входящие в состав специальных латуней, обозначаются следующим образом: А – алюминий; Мц – марганец; К – кремний; С – свинец; О – олово; Н – никель; Ж – железо; Ц – цинк; Мш – мышьяк. При маркировке специальных латуней за буковой Л ставят буквы, принятые для условного обозначения легирующего элемента. Далее первые две цифры указывают среднее содержание меди в процентах, а последующие цифры указывают содержание легирующих элементов также в процентах. Остальное содержание сплава составляет цинк.
   Латуни с малым содержанием цинка (3…20 %) называют томпаками. Они отличаются красновато-желтым цветом и применяются в строительстве для изготовления некоторых художественных деталей в интерьерах с последующим нанесением на них защитных покрытий. На открытом воздухе латунь быстро теряет свой блеск и золотистый цвет, покрывается сернистыми и оксидными пленками, чернеет и теряет свои декоративные качества. Поэтому для экстерьерных изделий применяют не латунь, а бронзу.
   Бронза является сплавом меди с оловом (3…12 %), свинцом, алюминием, марганцем, фосфором, никелем, железом и другими элементами. По химическому составу бронзы делятся на оловянные и безоловянные (алюминиевые, марганцовистые, кремнистые, свинцовые и др.). Чаще всего применяют алюминиевые и оловянные бронзы.
   С увеличением процентного содержания олова цвет бронзы изменяется от красного (при содержании меди не менее 90 %) в желтый (при содержании меди не менее 85 %), в белый (при 50 %) и в серо-стальной – при содержании меди менее 35 %.
   При содержании олова до 5 % бронза куется только в состоянии красного каления. При содержании олова до 3 % бронза очень пластична в холодном состоянии. Сплав с 5 % олова называется медальной бронзой или монетной.
   Маркируются бронзы также, как и латуни. Название сплава обозначается буквами Бр, а следующие буквенные и цифровые обозначения указывают вид и массовую долю легирующих элементов.
   Бронзы и латуни обладают многими очень важными для техники свойствами: они прочны, могут быть получены высокой твердости, обладают хорошими антифрикционными свойствами, имеют высокую коррозионную стойкость. В строительстве, как правило, их применяют для изготовления санитарно-технической аппаратуры, а также для отделочных и декоративных целей.
   Алюминий. Алюминий представляет собой легкий металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком. Он достаточно теплопроводен и электропроводен, коррозионно стоек и жароустойчив. Плавится при 658 0С. Чистый алюминий мягок и непрочен. Поверхность алюминия, находящегося на воздухе, всегда покрывается оксидной пленкой, имеющей температуру плавления 2050 градусов. Пленка эта предохраняет металл от окисления, придавая ему коррозионную стойкость.
   Алюминий хорошо поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Хорошо полируется и обладает высокой отражательной способностью. Прочность алюминия сравнительно невелика, что не позволяет его использовать для несущих конструкций, однако при легировании его различными добавками прочность может быть значительно повышена. Основными компонентами в сплавах, резко изменяющими свойства алюминия, являются медь, кремний, хром, марганец, никель, железо, магний, цинк.
   Алюминий особой чистоты – А999, состоящий из 99,999 % алюминия, и высокой чистоты – А995, А99, А97 и А95 используется в электрической, в химической и пищевой промышленности.
   Применяемые в строительстве алюминиевые сплавы, приближаясь по прочности к основным маркам строительных сталей, имеют небольшую плотность и высокую стойкость против коррозии. Чаще всего в строительных конструкциях применяют алюминиевомагниевые сплавы с содержанием магния 2…2,8 % и 5,8…6,8 %; а алюминиевомарганцевый сплав; авиаль (сплав с повышенной пластичностью); дюралюмин конструктивный теплопроводный повышенной прочности; дюралюмин нормальной нормальной прочности и др.
   Широко используют алюминиевые сплавы для изготовления прокатов в виде профилей: уголков, швеллеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений. Большое количество алюминиевых сплавов расходуется на изготовление заклепок и болтов.
   Магний. Магний по внешнему виду очень похож на алюминий. Он является самым легким металлом, имеющим промышленное значение. По своим свойствам он значительно отличается от алюминия. Он не столь пластичен, оксидная пленка его менее прочна, пориста, он легко коррозирует. Магний устойчив к едким щелочам, но растворяется в кислотах. Он обладает большой активностью к кислороду, легко самовозгорается и горит с ярким белым свечением. В чистом виде в основном применяется в пиротехнике, как конструкционный материал не применяется из-за своих низких механических свойств. Как правило, магний идет для приготовления различных легких сплавов.
   Никель. Никель представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 1453 0С, пластичный, ковкий, прочный, обладает высокой отражательной способностью, коррозионной стойкостью, хорошими ферромагнитными свойствами.
   На воздухе магний не окисляется, щелочи на него почти не действуют. Растворяется в разбавленной азотной кислоте; в серной и соляной кислоте растворяется в подогретом состоянии. Применяется главным образом для получения сплавов с железом, медью, хромом и другим и металлами, а также для защитного антикоррозионного и декоративного покрытий.
   Титан. Титан представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 1660 градусов. Коррозионно стоек во многих агрессивных средах. Удовлетворительно обрабатывается ковкой, резанием, прокаткой и прессованием, литейные свойства низкие.
   Сплавы титана с алюминием, ванадием, хромом, железом, молибденом, марганцем и углеродом обладают высокими механическими свойствами, жаростойкостью и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы широко используются в строительстве, в машиностроении, авиастроении, химической, медицинской промышленности и т.д. Карбиды титана входят в состав твердых сплавов. Для улучшения механических свойств титановые сплавы подвергаются закалке и отпуску.
   Цинк. Цинк – белый металл с голубоватым оттенком. На свежем изломе имеет характерный блеск, быстро тускнеющий на воздухе. При температуре 420 0С цинк плавится. Начиная с 500 0С, цинк на воздухе сгорает, образуя окись, кипит при 930 градусах.
   В сухом воздухе цинк не изменяется, во влажном он быстро покрывается прочной оксидной пленкой и приобретает тусклый синеватый цвет. Прочная оксидная пленка надежно защищает от дальнейшей коррозии. При накаливании на воздухе цинк загорается и горит с ослепительным блеском.
   Растворяется цинк в соляной, серной, азотной, уксусной и других кислотах. В щелочах – едком натрие и едком калии цинк также растворяется с выделением кислорода. Обладает различными свойствами в зависимости от направления прокатки: вдоль прокатки у него сопротивление на разрыв меньше, чем поперек прокатки. Довольно хрупок, однако при нагревании до 110 – 150 0С хорошо поддается обработке давлением.
   Режущими инструментами цинк обрабатывается плохо. При нагревании сильно расширяется значительно сильнее, чем другие металлы. В чистом виде цинк применяется в полиграфической промышленности, в химической промышленности, в строительстве для изготовления оцинкованного железа, для кровельных покрытий, карнизов и водосточных труб, для чеканки декоративных и архитектурных украшений и т.д.
   Свинец. Свинец представляет собой тяжелый металл синевато-серого цвета, быстро тускнеющий на воздухе, покрываясь пленкой окисла. Это наиболее мягкий и вязкий из всех металлов. Он легко прокатывается, штампуется, прессуется, а также хорошо отливается, температура плавления – 327 градусов.
   В сухом воздухе свинец не изменяется, но во влажном воздухе на его поверхности образуется пленка сначала окиси, а затем гидрата окиси, которая частично растворяется в воде. Поэтому под переменным воздействием воздуха и воды свинец постепенно разрушается. Однако процесс разрушения происходит очень медленно. Свинец хорошо сопротивляется действию соляной с серной кислот, а в азотной кислоте он растворяется. Не стоек против едких щелочей. Применяется как добавка в некоторые цветные сплавы и легкоплавкие припои. Пары, растворимые соединения свинца и его сплавов ядовиты и требуют большой осторожности при работе с ними. В строительстве цинк применяют для особых видов гидроизоляции, для зачеканки швов и стыков элементов строительных конструкций и др.
   Олово. Олово представляет собой металл серебристо-белого цвета, мягкий, вязкий, немного тверже свинца. В холодном состоянии олово легко прокатывается в самые тонкие листы и проволоку, но проволока легко рвется.
   Плавится олово при температуре 232 0С, на воздухе оно не окисляется, в воде окисляется очень медленно. Обладает хорошей коррозионной устойчивостью благодаря появлению оксидной пленки, что используется для изготовления белой жести – луженой тонколистовой стали.
   При температуре ниже -13 0С олово теряет свои металлические свойства и переходит в серый порошок – «серое олово». Это явление называют «оловянной чумой». Оно сопровождается сильными внутренними напряжениями, приводящими к превращению металла в порошок. «Оловянная чума» проявляется в виде отдельных серых пятен, распространяясь при дальнейшем охлаждении по всему изделию. Предохранить или остановить распространение явления можно путем нагрева изделия выше +18 0С.
   Металлические сплавы цветных металлов довольно часто применяются для изготовления строительных изделий высоких технических свойств. В прошлом в отделочной технике довольно широко применялись цветные металлы на основе меди, золота и серебра, однако в технических целях их применение ограничивалось из-за высокой стоимости.

Изделия из металла

   В настоящее время в качестве строительного материала металлообрабатывающие предприятия выпускают широкий ассортимент металлических изделий:
   – трубы стальные, медные, алюминиевые, из алюминиевых сплавов;
   – болты, гайки, шайбы, заклепки и др.;
   – прокатную угловую сталь – уголки, швеллеры, двутавры;
   – прокат стальной тонколистовой, рулонный (толщиной 0,5…1,2 мм) с защитно-декоративным полимерным покрытием для холодного изготовления строительных изделий;
   – стальные листовые профили их холоднокатанного проката оцинкованные, с алюмоцинковым или алюмокремниевым покрытием для кровельного настила (Н), настила и стеновых ограждений (НС) и только стеновых ограждений (С);
   – прокатную круглую сталь, которая используется в качестве арматуры для железобетонных конструкций;
   – прокатную листовую кровельная сталь, в том числе оцинкованную;
   – стальную арматуру;
   – металлические профили;
   – строительные конструкции из алюминиевых сплавов.
   Стальная арматура и металлические формы. Арматура является важнейшей составной частью железобетона. Она должна надежно работать совместно с бетоном на всех стадиях службы изделия. Арматура представляет собой стальные стержни различной формы, сетки и объемные каркасы из них, которые размещают в массе бетона. Применяют арматуру при изготовлении железобетонных изделий и конструкций для повышения их прочности на изгиб и растяжение, а также при внецентровом сжатии. В качестве арматуры для железобетона применяют высокопрочные низколегированные стали или арматурную сталь подвергают механическому упрочению или термической обработке.
   Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления – стержневую (А) и проволочную (В); по характеру поверхности – гладкую и периодического профиля; по назначению – ненапрягаемую, которую применяют для изготовления обычного железобетона и напрягаемую, применяемую при производстве преднапряженных железобетонных конструкций.
   Стержневую арматуру изготавливают из углеродистой и низколегированной стали, ее выпускают горячекатанной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии и термически упроченной. В зависимости от предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения при разрыве стержневую арматуру подразделяют на классы. Каждому классу соответствуют определенный цвет масляной краски, которой окрашивают концы стержней. Из стержней путем сварки получают плоские и пространственные арматурные каркасы. Применяемая для арматуры сталь, имеющая на поверхности отпадающую при ударе молотком окалину или ржавчину, масло и другие загрязнения, перед использованием должна быть очищена.
   В качестве ненапрягаемой арматуры применяют стержневую арматуру диаметром до 10 мм и обыкновенную арматурную проволоку периодического профиля. В предварительно напряженных конструкциях применяют горячекатанную и термомеханически упроченную стержневую арматуру, высокопрочную арматурную проволоку и арматурные канаты. Арматурные канаты поставляют в бухтах диаметром 1,5…2, 0 м. Смотанные с бухт или барабанов канаты должны сохранять прямолинейность, правка арматурных канатов не допускается.
   Проволочная арматура может быть в виде арматурной проволоки и арматурных проволочных изделий. Холоднотянутую арматурную низкоуглеродистую проволоку предназначают для ненапрягаемой арматуры, углеродистую высокопрочную арматурную проволоку предназначают для напрягаемой арматуры.
   Проволочную арматуру диаметром 3 до 8 мм изготавливают способом холодного волочения и подразделяют на гладкую (В) и периодического профиля (Вр). Используют ее для получения арматурных канатов (К) и сварных арматурных сеток, которые могут быть рулонными и плоскими. Канаты испытывают на растяжение, проволоку – на растяжение и перегиб.
   При возведении сборных железобетонных конструкций для соединения отдельных изделий путем сварки применяют закладные детали, которые представляют собой стальную пластину из стали с приваренным к ней анкерами из стали периодического профиля. Пластины располагают на поверхности железобетонного изделия, анкера располагают в теле бетона. Для обеспечения более прочной связи анкеры соединяют с арматурой изделия.
   Монтажные петли, закладываемые в бетон, изготовляют из гладкой стали. Диаметр стержня определяют расчетом петли на разрыв и выдергивание из бетона. Для изготовления монтажных петель, используемых при подъеме и перемещении крупноразмерных конструкций, применяют горячекатанную арматурную сталь, для закладных деталей и соединительных накладок используют прокатную углеродистую сталь. Термически упроченная стальная арматура имеет высокие показатели предела текучести и временного сопротивления.
   При производстве арматурных работ переход на изготовление предварительно напряженных конструкций позволяет значительно снизить потери металла. В предварительно напряженных конструкциях полное использование свойств высокопрочных сталей позволяет заменить малоэффективные тяжелые железобетонные изделия более легкими и тонкостенными. При замене сварной арматуры предварительно напряженной сокращение расхода стали по массе для большинства изделий при стержневом армировании составляет до 35 %, а при армировании высокопрочной проволокой – почти 50 %.
   В современном строительстве все чаще применяют стеклопластиковую арматуру в виде проволоки и стержней различного диаметра, выполненную из продольно-ориентированных стеклянных волокон, связанных в монолит различными смолами. Кроме этого, разрабатывают и применяют различные виды пластиковой арматуры.
   Металлические профили. Металлические профили представляют собой длинномерные элементы, выполненные методом холодной прокатки тонкой стальной ленты толщиной 0,5 – 0,8 мм на современном профилегибочном оборудовании. Стандартная длина профилей составляет 2750 мм, 3000 мм, 4000 мм, 4500 мм. По согласованию с заказчиком могут быть изготовлены профили иных размеров. На стенках профилей ПС (профиль стоечный), ПН (профиль направляющий), ПП (профиль потолочный) устроены профильные гофры, которые увеличивают их жесткость. Так как большинство металлов подвержено агрессивному, разрушающему воздействию некоторых веществ, находящихся в составе воздушной среды, профили обычно выпускаются с оцинкованным покрытием.
   Цинк на воздухе покрывается слоем углекислого цинка, который защищает его от окисления. Цинковое покрытие прочно соединяется с поверхностью стали, образуя активный защитный слой, который может быть разрушен только путем воздействия на него концентрированных кислот. Места разрезов оцинкованных профилей не нуждаются в дополнительной защите от коррозии. Резка и сборка профилей производится с помощью разнообразных приспособлений и инструментов (электроножниц, просекателей и др.). Профили используются во всех категориях зданий – жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных. Они служат для формирования каркасов, различных по конструкции и назначению, в том числе для сборных перегородок, облицовок и подвесных потолков. Каркасы являются жестким основанием для крепления гипсокартонных листов и продукции на их основе.
   Существуют несколько видов профилей: профиль стоечный (ПС), профиль направляющий (ПН), профиль направляющий потолочный (ПНП), потолочный профиль (ПП), профиль арочный (ПА), профиль угловой (ПУ-профиль).
   Профиль стоечный (ПС). Профили стоечные имеют С-образную форму и служат, как правило, в качестве вертикальных стоек каркасов, предназначенных для различного рода перегородок и облицовок. Монтируется стоечный профиль в паре с соответствующим по размеру направляющим профилем. Стоечные профили изготавливают различных размеров сечения. Преимуществом некоторых профилей (например, ПС 50/50 мм) являются продольные канавки на полке профиля, которые центрируют шуруп при его ввинчивании, центральная канавка является ориентиром как при точной сборке каркаса, так и при установке отделочных листов. В спинке на каждом конце профиля имеются два отверстия, которые позволяют произвести монтаж инженерных коммуникаций внутри облицовок и перегородок.
   Необходимый по размеру профиль выбирают, исходя из нужной высоты перегородки, ее конструкции и требований к звукоизоляции. Крепление стоечного профиля в направляющей производится посредством шурупов или с помощью просекателя путем просечки с отгибом.
   Профиль направляющий (ПН). Направляющие профили имеют С-образную форму и служат в качестве направляющих для стоечных профилей, а также для устройства перемычек между ними в каркасах перегородок и для облицовок. Монтируются в паре с соответствующим по размеру ПС-профилем. Направляющие профили нередко производятся с готовыми отверстиями диаметром 8 мм в спинке профиля, предназначенными для установки дюбелей, что облегчает процесс крепления профиля к несущему основанию. При необходимости дополнительные отверстия для дюбелей можно просверлить в стенке направляющей с помощью дрели.
   Профиль направляющий потолочный (ПНП). Профиль направляющий потолочный служит в качестве направляющей ПП-профилей 60/27 при монтаже каркаса подвесного потолка, а также при облицовке. При монтаже каркаса подвесного потолка ПНП-профиль крепится по периметру помещения. В случае установки каркаса облицовки профиль крепится к полу и потолку. В спинке профиля имеются отверстия диаметром 8 мм, расположенные с шагом около 250 мм, для крепления направляющей к несущему основанию при помощи дюбелей.
   Профиль потолочный (ПП 60/27). Потолочный профиль имеет С-образную форму и предназначен для формирования каркаса подвесных потолков и облицовки стен. Профиль имеет размеры: а = 60 мм, b = 27 мм. Полки и спинка профиля имеют по три канавки для центровки ввинчиваемого шурупа и придают ему дополнительную жесткость. К несущему основанию (перекрытию) ПП-профиль крепится с помощью специальных подвесов, основным среди которых являются подвес прямой и подвес с зажимом. Для установки подвеса с зажимом края полок профиля загнуты внутрь и служат в качестве упора.
   Подвес крепится на профиле с помощью шурупов. Широкая стенка служит удобным основанием для крепления облицовочных листов. При помощи специальных соединителей, входящих в комплект подвесного потолка, ПП-профиль позволяет произвести несложный монтаж каркаса нужной конструкции за короткий срок.
   Профиль арочный (ПА). Арочный профиль является основой криволинейных облицовочных конструкций и изготавливается из ПП-профиля 60/27 с различными радиусами гибки, но не менее 500 мм. Гибка может быть выполнена как полками внутрь, так и наружу. Максимальная длина дуги арочного профиля (развертка) составляет 6000 мм.
   Профиль угловой (ПУ-профиль 31/31). Угловой профиль предназначен для защиты наружных углов перегородок и облицовки от механических повреждений. Сечение ПУ-профиля выполнено в форме острого угла (85 градусов), что обеспечивает при его монтаже плотное прилегание к поверхности угла перегородки.
   Полки профиля имеют перфорацию, диаметр отверстия – 5 мм. При установке профиля в отверстия проникает шпатлевка, предварительно нанесенная на угол конструкции, что обеспечивает прочное сцепление профиля с сопрягаемой поверхностью перегородки.

Конструкции и изделия из алюминиевых сплавов

   В строительном производстве все шире изготовляют конструкции из алюминиевых сплавов, которые служат в качестве ограждающих и несущих при соответствующем технико-экономическом обосновании, а также при необходимости значительного снижения массы ограждающих и несущих конструкций зданий и сооружений, с целью обеспечения повышенных архитектурных требований к конструкциям зданий и сооружений, при необходимости обеспечения надежности эксплуатации конструкций за счет повышения коррозионной стойкости, сохранения прочностных характеристик при низких температурах, отсутствия магнитных свойств и искрообразования.
   Для строительства и реконструкции зданий и сооружений производители изготавливают следующие виды строительных конструкций из алюминиевых сплавов:
   – несущие конструкции из алюминиевых сплавов для промышленных зданий с агрессивными средами, строящихся в районах с высокой сейсмичностью и других районах. Уменьшение собственной массы конструкции значительно сокращает сейсмические нагрузки на здание в целом и исключают возможность разрушения расположенных ниже несущих конструкций, выполненных из более тяжелых материалов;
   – кровельные панели следующих размеров: 1,5 м х 12,0 м; 3,0 м х 12, 0 м; 3,0 м х 6,0 м; 1,5 м х 6,0 м;
   – стеновые панели 1,2 м х 12 м; 1,8 м х 12 м; 1,2 х 6 м; 1,8 м х 6 м, состоящие из двух щитов, соединенных с помощью решетки. Каждый щит состоит из каркаса и прикрепленной к нему точечной сваркой обшивки толщиной 1 мм (верхняя обшивка) и 0,8 мм (нижняя обшивка). Между стенками и уголками ставятся прокладки из прессованного картона, обе стороны которых смазывают эпоксидным клеем. В качестве утеплителя используют стекловатные маты;
   – панели для покрытия ангаров 3 м х 12 м, состоящие из стального каркаса, усиленного шпренгелем, и алюминиевой мембраны из листа толщиной 0,8 мм, которая поперечными элементами разбивается на четыре ячейки размером 3 м х 3 м. Соединением мембраны с каркасом осуществляется при помощи алюминиевых заклепок. Утеплитель используют в виде плит ПСБ толщиной 40 мм;
   – покрытия большепролетных гражданских и промышленных зданий, выполняющие несущие и ограждающие функции, в виде листовых оболочек;
   покрытия в виде пространственной решетчатой конструкции. В зависимости и от назначения покрытия из алюминиевых сплавов могут быть плоскими, скатными, купольными, в виде сводов решетчатой пространственной конструкции. Их эффективность определяется облегчением, а следовательно, удешевлением остальных несущих конструкций, уменьшением затрат за счет исключения работ по устройству рубероидного покрытия на битумной мастике, уменьшением эксплуатационных расходов за счет исключения частых ремонтов кровли, использованием покрытий на предприятиях с агрессивными средами, способностью отражать лучи, а также высокой индустриальностью изготовления и монтажа;
   – изделия для жилых, общественных, производственных и пространственных зданий: окна, витражи, витрины, балконные двери для устройства каркасно-филенчатых конструкций стеновых ограждений. Окна, витражи, витрины, балконные двери классифицируются по назначению, конструкции, виду филенок, заполняющих каркас и створные элементы.
   По назначению различают изделия для жилых, гражданских и пространственных зданий. По конструкции каркаса – на одинарные, одинарные из комбинированных профилей, спаренные и раздельные. Комбинированный профиль состоит из двух наружных алюминиевых профилей и находящегося между ними вкладыша из материала малой теплопроводности. По виду филенок, заполняющих каркас и створные элементы, изделия подразделяются на светопрозрачные (одно, двухслойные, трехслойные), несветопрозрачные, комбинированные (включающие сочетание светопрозрачных и несветопрозрачных филенок). По степени готовности изделия бывают рамные, рамно-линейные и линейные. Створные элементы окон, витражей, витрин и балконных дверей (фрамуги, створки, дверные полотна) по системе открывания подразделяются на неоткрываемые, распашные, верхнеподвесные, нижнеподвесные, комбинированные, среднеподвесные, среднеповоротные, складывающиеся, раздвижные, подъемно-опускные.
   Для комбинированных профилей вкладыши изготовляют из материалов, обеспечивающих прочность, долговечность и теплоизоляционные свойства каркасов. Из всего многообразия конструктивных решений систем подвижных элементов оконных переплетов наибольшее распространение получили открывающиеся переплеты со средним импостом и без него, среднеподвижные, повородные на средней вертикальной оси, с опрокидывающимися, открытыми и с параллельно выдвижными на фасад створками. Все соединения переплетов выполняют в основном с помощью контактной сварки.
   Очень экономичны алюминиевые профили. Сечения их меньше, чем деревянных, что повышает светопропускную способность и улучшает внешний вид окна. Алюминиевые детали пустотелые и имеют небольшое сечение. Масса их створок не больше чем у деревянных. Зазоры и щели небольшие, так как алюминий не разбухает и не коробится подобно древесине, поэтому воздухопроницаемость их в два раза меньше, а срок службы в два раза больше. Анодированные алюминиевые блоки не окрашивают.
   Оконные алюминиевые блоки дороже деревянных, однако благодаря более длительному сроку службы и уменьшению расходов на окраску, стоимость их эксплуатации в два раза меньше, чем деревянных. Поэтому даже при довольно высокой стоимости алюминия изготовленные из него оконные блоки в конечном счете обходятся дешевле, чем деревянные. Ажурные тщательное отделанные переплеты придают окнам красивый вид.
   Навесные стены со сплошным остеклением называют витражами. Витражи позволяют создавать хорошие интерьеры и улучшают внешний вид здания, упрощают решение вопросов, связанных с эксплуатацией ограждающих конструкций и ограждающих ими помещений. Витражи с подвесным каркасом и двухслойным остеклением имеют наименьший расход алюминия на единицу площади.
   Раздвижные конструкции с окатными стеклопакетами неэффективны из-за перерасхода алюминия. Увеличение высоты витражей приводит к повышению расхода алюминиевых сплавов по причине высокой деформативности конструкций.
   В настоящее время из рулонных алюминиевых листов с предварительно напряженными обшивками серийно изготавливают специальные панели для покрытия отапливаемых производственных и гражданский зданий. Панели состоят из двух ферм, соединенных между собой верхнему и нижнему поясам поперечинами, по которым располагаются обшивки. Нижний напрягаемый лист включается в работу растянутого пояса и обеспечивает общую устойчивость конструкции в процессе сборки и эксплуатации. Чтобы включить в работу сжатого пояса верхнюю обшивку, ее прикрепляют к каркасу после предварительного растяжения. Это обеспечивает жесткость и устойчивость тонкого листа при работе на сжатие. Верхняя обшивка служит одновременно гидроизолирующим слоем, а нижняя – выполняет функции подвесного потолка.
   Выполняется панель из наиболее дешевых рулонных листов и прессованных уголков, позволяя перекрывать пролеты более 30 метров без устройства несущих элементов шатра. Предварительное натяжение обшивок позволяет значительно увеличить жесткость панели, снизить расход алюминия, максимально используя прочносные свойства материала, повысить надежность конструкций, упростить и ускорить монтаж покрытия.
   Изготавливаемые из алюминиевых сплавов подвесные потолки хорошо защищают работников в цехах точных производств. В общественных зданиях они выполняют роль декоративных, акустических и эстетических конструкций. Такие конструкции позволяют скрыть за ними сантехнические и электротехнические коммуникации и светильники. Они придают помещению красивый вид и снижают затраты на ремонт.
   Для несущего каркаса используют гнутые реечные или прессованные профили из алюминиевых сплавов или стали, защищенной антикоррозионным покрытием. Лицевые элементы, которые обеспечивают потолку декоративность и акустические свойства, представляют собой листовую сталь или листы из алюминиевых сплавов, которые могут быть плоскими, объемными, гладкими, гофрированными, с перфорацией и без перфорации. Подвесной потолок выполняют из горизонтального несущего каркаса, подвешенного на специальных регулируемых тяжах к строительным или междуэтажным конструкциям здания. Конструктивную решетку выполняют из алюминиевого сплава в виде профилей таврового сечения. Конструкция тяжей дает возможность регулировать высоту каркаса, выверять горизонтальность потолка, а также устраивать проходной подвесной потолок. Основной несущий каркас изготавливают из прессованных алюминиевых профилей, литые крестовины изготавливают из алюминиевого сплава.
   Для повышения износостойкости полов в помещениях, где поверхность полов подвергается механическим воздействиям транспорта, верхнее покрытие выполняют из металлоцементного состава, содержащего цемент, воду и дробленую стальную обезжиренную стружку. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки, для покрытия используют гладкие и рифленые чугунные дырчатые и стальные штапмованные плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены также для горячих цехов – кузнечных, прокатных, сталеплавильных литейных, где их применяют в зонах нагрева пола до 1000…1400 градусов.
   Для наружной отделки фасадов довольно часто применяют двухслойные и трехслойные панели и блоки, лицевая отделка которых выполнена из стального листа, защищенного антикоррозионной краской, оцинкованной сталью с пластиковым покрытием или листов профильного алюминия. Применение этих крупноразмерных материалов улучшает внешний вид зданий, повышает их долговечность, обеспечивает надежную теплоизоляцию, так как их внутренний слой представляет собой пористый полимерный материал.
   Для ограждающих конструкций (наружных стеновых панелей, плит покрытия) применяют двухслойные и трехслойные панели, в которых внутренние и наружные слои выполнены из листов оцинкованной стали или алюминиевых сплавов, между которыми расположен плитный утеплитель.
   Для выполнения кровли часто применяют тонколистовую кровельную, оцинкованную сталь и металлочерепицу, а также профилированный стальной оцинкованный настил.
   Металлочерепица представляет собой гофрированные стальные листы, реже – алюминиевые, толщиной около 0,5 мм с защитно-декоративным полимерным покрытием (полиэстер, пластилоль и др.). В зависимости от геометрии профиля выпускают изделия различного цвета с торговыми названиями «Монтерей», «Каскад» и другими площадью 8…10 м кв. или в виде мелкоштучных изделий площадью 0,5 м кв.
   Для устройства монтируемой гидроизоляции подземных конструкций используют листовую низколегированную нержавеющую сталь.
   Алюминиевую фольгу используют при изготовлении таких рулонных кровельных материалов, как фольгоизол, фольгобитеп, фольгорубероид, которые обладают повышенной прочностью и огнестойкостью. Рулонную алюминиевую фольгу в сочетании с плитным или рулонным высокопористым материалом применяют для теплоизоляции строительных конструкций, трубопроводов технологического оборудования.
   В качестве пигмента для получения серебряной краски часто используют алюминиевую пудру и как газообразующую добавку при производстве ячеистого бетона.

Илья Мельников Металлические строительные материалы и изделия