ОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ГЛАВА 2. В зависимости от химического состава все строительные материалы можно условно разделить на органические и неорганические. К органическим материалам относятся: древесина, органические вяжущие, которые могут встречаться как в природе, так и быть полученными путем глубокого окисления нефти, а также синтезированные полимеры. 2.1. Древесина Древесину применяют издавна в строительстве благодаря ряду присущих ей положительных свойств: высокой прочности при небольшой средней плотности (ККК = 0,7 - 0,8), малой теплопроводности, легкости обработки и декоративности. В строительстве применяют как хвойные, так и лиственные породы. Область их рационального использования представлена в табл. 2.1. Таблица 2.1 Применение хвойных и лиственных пород в строительстве
Дерево состоит из ствола, кроны и корней. Ствол является основной и наиболее ценной частью, из него получают от 60 до 90 % деловой древесины. По своему строению древесина является волокнистым пористым материалом, состоящим из живых и мертвых клеток. По назначению клетки подразделяют на проводящие питательные вещества, запасающие их и механические. Макроструктуру древесины изучают в поперечном и двух продольных сечениях: радиальном и тангенциальном (рис. 2.1).
На поперечном сечении у хвойных пород имеются годовые кольца. Каждое кольцо состоит в свою очередь из светлого кольца ранней древесины и более темного - поздней. Ранняя древесина образовалась весной или в начале лета, она состоит из крупных тонкостенных клеток, склонна к загниванию, имеет большую пористость и низкую прочность. Древесина, образовавшаяся летом и в начале осени (поздняя), имеет темный цвет вследствие насыщения смолянистыми веществами, большую плотность и прочность. Следовательно, чем больше образовалось поздней древесины, тем выше ее общая прочность и стойкость по отношению к воде. Вследствие волокнистого строения древесина относится к анизотропным материалам, т. е. все ее физические и механические свойства в разных направлениях различны. 2.1.1. Общие свойства Каждая порода дерева имеет характерный цвет и текстуру (рисунок). Хвойные породы в основном обладают простым и однообразным рисунком, древесина лиственных пород - сложным. Благодаря богатству и разнообразию текстуры ряд пород - дуб, бук, орех, каштан - высоко ценятся в столярно-отделочных работах. Истинная плотность древесины, состоящей в основном из целлюлозы, составляет 1540 кг/м и практически не зависит от породы дерева. Средняя плотность колеблется от 450 кг/м (кедр, пихта) до 900 кг/м и более (граб, железное дерево, самшит, кизил) и зависит от общей пористости, которая для хвойных пород равняется 46 - 81 %, лиственных - 32 - 80 %. Вследствие гидрофильной природы и волокнистой пористой структуры древесина при изменении температурно-влажностных условий эксплуатации легко впитывает и отдает влагу. В зависимости от влажности (степень насыщения водой в %) древесину подразделяют на мокрую - све- жесрубленную (более 35 %), воздушно-сухую (15 - 20 %) и комнатно- сухую (8 - 12 %). Влажность, приобретенную древесиной при длительном нахождении в условиях постоянного температурно-влажностного режима, называют равновесной. Полная влажность (при погружении в воду) может доходить до 200 %. Так как влажность влияет на все физические и механические свойства древесины (увеличиваются размеры, повышается электро- и теплопроводность, снижается прочность), то с целью анализа области применения вводят показатель стандартной влажности - 12 % и все свойства пересчитывают с его учетом по специальным формулам. Влага в древесине находится в трех видах: химическая, входящая в состав основного вещества целлюлозы, гигроскопическая, адсорбированная на стенках клеток, и свободная, заполняющая клетки и межклеточные пространства. Колебания влажности влекут изменения размеров и форм изделий. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль волокон усушка составляет 1 см на 1 м (1 %), в радиальном направлении 3 - 6 см на 1 м (3 - 6 %), в тангенциальном 6 - 12 см на 1 м (6 - 12 %). Неравномерность усушки и, как следствие, коробление приводят к появлению внутренних напряжений и растрескиванию пиломатериалов и бревен. Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий их изготавливают из древесины, предварительно высушенной до той равновесной влажности, которая будет при эксплуатации. Для столярных изделий, эксплуатируемых внутри помещения, влажность 8 - 10 %, для наружных конструкций 15 - 18 %. Чтобы защитить древесину от последующего увлажнения, ее покрывают водостойкими красками, полимерными пленками. В круглом лесе и пиломатериалах трещины усушки образуются в первую очередь на торцах. Для уменьшения растрескивания торцы бревен, брусьев обмазывают смесью из извести, соли и клея или другими защитными составами. При влажных условиях эксплуатации древесина подвергается разрушающему действию микроорганизмов - загнивает. Предохраняют древесину от разрушения и продлевают срок службы конструкций и изделий в зданиях и сооружениях за счет обеспечения вентиляции, предварительной естественной или искусственной сушки, окраски водостойкими красочными и пастовыми составами и антисептированием. Сушку проводят или в хорошо вентилируемом складе под навесом в течение от 2 - 3 месяцев до полутора лет, или с использованием специального оборудования. Для искусственной сушки применяют специальные камеры-сушила непрерывного и периодического действия с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. Теплоносителем является сначала водяной пар с температурой 70 - 80 °С, а затем нагретый до 50 - 60 °С воздух. Продолжительность сушки - 3 - 6 сут. Для ускорения процесса сушки до 8 - 12 ч пакет деревянных изделий погружают в ванну с нагретым до 130 °С петролатумом, представляющим собой гидрофобный продукт переработки нефти. Сушку особо ценной древесины проводят в поле токов высокой частоты. Метод основан на превращении энергии переменного электрического тока в тепловую энергию, вызывающую нагрев древесины и испарение воды. Антисептирование проводят с использованием специальных веществ - антисептиков, которые подразделяют на водорастворимые (фтористый и кремнефтористый натрий, хлористый цинк, медный купорос), применяемые для условий эксплуатации в помещении, и маслянистые (антраценовое, каменноугольное, сланцевое масло), используемые для древесины, находящейся на открытом воздухе, в земле или в воде. Аналогичное назначение имеют антисептические пасты для обмазки на основе битума и жидкого стекла. Последние не водостойки и поэтому сверху их защищают такими гидроизоляционными рулонными материалами, как толь, рубероид. К антисептикам предъявляют следующие требования: возможно большая токсичность по отношению к дереворазрушающим микроорганизмам; длительное сохранение токсичных свойств; отсутствие вредного влияния на прочность древесины и металла крепления (болты, гвозди); способность как можно глубже проникать в толщу древесины; безвредность для людей. Пропитка древесины антисептиками может проводиться несколькими методами: поверхностная обработка кистями на глубину 1 - 2 мм; поочередное погружение изделий в горяче-холодные ванны с температурой 90 - 20 °С соответственно; под давлением 0,6 - 0,8 МПа в автоклавах; насыщением в высокотемпературной ванне при 160 - 170 °С. Теплопроводность и электропроводность древесины зависят от ее пористости, влажности и направления потока тепла или электрического тока. В сухом состоянии древесина является теплоизоляционным материалом и хорошим диэлектриком. По огнестойкости древесина относится к сгораемым материалам, ее возгорание происходит при температуре 250 - 300 °С. Нормами допускается использование древесины для изготовления балок, колонн, арок, ферм, рам при условии пропитки материала специальными огнезащитными веществами - антипиренами. Наиболее эффективен метод обработки под давлением. Традиционными средствами огнезащиты деревянных конструкций являются покрытия на основе цементно-песчаных, глиняных и других штукатурок. Для огнезащиты древесины широко применяют также разнообразные краски - невспучивающиеся и вспучивающиеся, неорганические и органические. Покрытия и краски защищают материал от воспламенения, выделяя при нагревании газы, препятствующие процессу горения и поглощающие выделяющуюся теплоту, или воду, поддерживающую температуру на уровне 100 °С. Для огнезащиты деревянных конструкций применяют также плитные и листовые материалы. Наиболее широкое распространение нашли гипсокартонные и асбестоцементные листы. Их применение позволяет увеличить предел огнестойкости деревянных конструкций на 20 - 30 мин при толщине 10 мм. Химическая стойкость древесины зависит от концентрации и длительности воздействия растворов кислот и щелочей. Органические кислоты (уксусная, молочная и т.п.) не разрушают этот материал, в равной мере как и слабощелочные растворы. Неорганические кислоты (серная, фосфорная) обезвоживают древесину, вызывая ее обугливание. Механические свойства древесины зависят от направления прилагаемой нагрузки по отношению к древесным волокнам, средней плотности и влажности. Предел прочности при сжатии определяют вдоль и поперек волокон на образцах в виде прямоугольной призмы размером 20x20x30 мм. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон в 4 - 6 раз больше, чем поперек. Например, для сосны вдоль волокон - 100 МПа, поперек - 20 - 25 МПа. Древесина вследствие своего органического происхождения и волокнистого строения оказывает большое сопротивление изгибу, поэтому ее применяют при изготовлении балок, стропил, ферм. Прочность, которая колеблется от 50 до 100 МПа, определяют на образцах-балочках 20x20x300 мм. Испытания проводят по схеме балки, свободно лежащей на двух опорах с пролетом 240 мм и нагруженной двумя сосредоточенными грузами на расстоянии 80 мм. На скалывание древесина работает в стропильных фермах. Эта прочность составляет 6 - 13 МПа при скалывании вдоль волокон и 24 - 40 МПа поперек волокон. Статическая твердость численно равна нагрузке, которая необходима для вдавливания в поверхность образца половины металлического шарика определенной массы и диаметра. В зависимости от этого показателя все древесные породы подразделяют на мягкие (сосна, ель, ольха) - 35 - 50 МПа, твердые (дуб, граб, береза) - 50 - 100 МПа, очень твердые (кизил, самшит) - больше 100 МПа. Твердость древесины понижается с увеличением ее влажности. Наряду со статической твердостью определяют динамическую твердость по диаметру отпечатка, полученного в результате падения с заданной высоты металлического шарика определенной массы и диаметра. Этот показатель является важным для оценки качества материалов, применяемых для покрытия пола. При работе балок, арок, ферм очень важно такое свойство, как динамический модуль упругости материала, который рассчитывают по величине прогиба образца-балочки. Например, для сосны и ели динамический модуль упругости составляет 1000 - 15000 МПа. Показатель этот возрастает с увеличением плотности и снижается при увлажнении. Один из перспективных способов значительного улучшения свойств древесины - модификация ее синтетическими полимерами. Сущность модификации состоит в том, что натуральную древесину пропитывают жидким мономером, который затем отверждают под действием тепла, химических реагентов или ионизирующего излучения. Особенность модификации состоит в том, что синтетический полимер не просто заполняет свободное пространство между волокнами, а взаимодействует с компонентами древесины. В результате исключаются такие недостатки, как набухание и усушка, коробление и растрескивание, загнивание и возгорание. При этом древесина сохраняет свои положительные качества: низкую плотность, высокую прочность, тепло- и звукоизолирующую способность, химическую стойкость. Наибольший эффект от модификации получают в том случае, если в качестве исходного материала используют древесину с низкими физико- механическими показателями, т. е. древесину малоценных пород, не имеющую пока достаточно широкого технического применения, например, осину. 2.1.2. Материалы и изделия из древесины Материалы из древесины применяют в строительстве в качестве конструкционных, отделочных, теплоизоляционных, акустических и столярных изделий. К конструкционным материалам относят круглые лесоматериалы, пиломатериалы, фанеру, древесные слоистые пластики, фибролит, арболит, цементно-стружечные плиты. Круглые лесоматериалы получают путем очистки от коры и распиловки стволов деревьев. В зависимости от диаметра верхнего торца их подразделяют на бревна (не менее 14 см), подтоварник (8 - 13 см) и жерди (3 см). Толстые короткие лесоматериалы (длиной до 3 м) диаметром более 200 мм называют кряжами, их используют для изготовления древесного шпона, фанеры; бревна - для выработки пиломатериалов, возведения бревенчатых домов, изготовления свай, гидротехнических сооружений, элементов мостов, опор линий связи, радио- и электропередачи; подтоварник и жерди - для вспомогательных и временных сооружений. При раскрое бревен получают пиломатериалы различного вида и размеров (брусья, шпалы, доски) (рис. 2.2). Из бревен, досок и брусьев изготавливают клееные конструкции: рамы, арки, фермы, балки, сваи, прочность, жесткость и несущую способность которых повышают путем армирования стальными стержнями, проволокой, сеткой или стеклопластиковой арматурой. Фанера представляет собой листовой материал, склеенный из трех и более слоев лущеного шпона таким образом, чтобы направление волокон в смежных слоях было взаимно перпендикулярным. Такое строение повышает однородность изделия по свойствам, исключает усадочные деформации и коробление. Шпон - тонкий листовой материал, полученный лущением или
В строительстве фанеру применяют для выполнения обшивки внутренних перегородок на деревянной раме, пространственных конструкций в виде сводов и куполов, а также клееных балок, арок и ферм. С целью повышения прочности, твердости и жесткости при изготовлении фанеры между ее слоями прокладывают металлическую сетку. В этом случае фанера называется армированной и может применяться в особо ответственных конструкциях. В производстве изделий из фанеры важное место занимают трубы. В зависимости от технологии фанерные трубы могут быть прессованными или полученными методом рулонной навивки - витые. Эти изделия обладают повышенной противокоррозионной стойкостью и предназначены для транспортировки сточных вод, нефти, масел, а также слабоагрессивных производственных растворов. В качестве конструкционного материала фанерные трубы используют для колонн, мачт, опор, ферм. Древесные слоистые пластики представляют собой листовой материал, полученный методом прессовки нескольких слоев шпона, пропитанного при высокой температуре высокомолекулярными смолами. Технология производства пластика включает подготовку древесного шпона, пропитку его полимерами, сушку пропитанного шпона, сборку в пакеты, прессование, обрезку по заданным размерам. Из пластиков выполняют обшивку градирен, конструкции жестких пространственных оболочек для покрытия помещений больших пролетов (крытые стадионы, цирки, рынки), наружную и внутреннюю отделку производственных помещений. Фибролитом называют плитный материал из тонких длинных древесных стружек и минерального вяжущего (чаще портландцемента). Технология получения включает химическую обработку древесных отходов, смешивание их с водой и цементом до получения однородной массы, заполнение формы и твердение изделий. Плиты фибролита можно пилить и сверлить обычными деревообрабатывающими инструментами, в них легко забивать гвозди и ввертывать шурупы; они хорошо оштукатуриваются и окрашиваются; прочно сцепляются с незатвердевшим бетоном и надежно крепятся к поверхности бетонных и каменных конструкций. Фибролит морозостоек, не загнивает, не поражается грызунами. По огнестойкости материал относится к трудносгораемым. Физико-механические свойства материала зависят от его плотности, которую регулируют количеством минерального вяжущего и степенью уплотнения. В зависимости от плотности выпускают конструкционный, теплоизоляционный и акустический фибролит. Конструкционные фибролитовые плиты применяют в качестве перекрытий, перегородок и покрытий сельскохозяйственных и складских зданий, а также стен деревянных стандартных домов, теплоизоляционный и акустический - для обеспечения комфортных условий проживания и работы в жилых и общественных зданиях. Арболит представляет собой легкий деревобетон на минеральном вяжущем. Для изготовления арболита используют дробленые отходы лесопиления и переработки древесины различных пород, а также измельченные сучья, ветви, вершины, горбыли, рейки. В качестве минерального вяжущего чаще применяют портландцемент, реже - известь с гидравлическими добавками, в отдельных случаях - магнезиальные вяжущие и гипс. Технология изготовления аналогична фибролиту. Из арболита делают навесные и самонесущие панели наружных и внутренних стен, плиты покрытий. Поверхность панелей защищают асбестоцементными листами на шурупах, цементным раствором, керамической плиткой. Не разрешается использовать изделия из арболита для цоколей, стен подвалов. Перспективным материалом для деревянного домостроения являются цементно-стружечные плиты. В отличие от фибролита и арболита эти плиты прессуют при повышенном давлении, поэтому они имеют большую плотность и прочность. Цементно-стружечные плиты применяют для наружной обшивки стеновых панелей жилых домов, изготовления санитар- но-техниче-ских кабин. Выбор материалов для внутренней отделки зависит от назначения помещений, условий эксплуатации и капитальности зданий. При этом учитывают не только декоративность, долговечность самого материала, но и удобство его эксплуатации, условия санитарно-гигиенического содержания. Так, для отделки стен в жилых комнатах применяют вагонку, в помещениях общественного назначения - цементно-стружечные, древесностружечные, твердые древесноволокнистые плиты с отделкой лицевой поверхности декоративными лакокрасочными составами, полимерными пленками, пластиком или шпоном ценных древесных пород. Древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые (ДВП) плиты получают методом плоского прессования отходов древесины (стружек, опилок), смешанных с горячими синтетическими смолами или клеевым связующим. Аналогичные по свойствам плитные материалы отходов производят на основе переработки льна (костры) или костры в сочетании с древесными волокнами. Для облицовки внутренних стен общественных административных и производственных зданий применяют декоративную фанеру с отделкой лицевой поверхности специальной бумагой, имитирующей текстуру ценных пород древесины или ткани, пленочным покрытием, строганым шпоном. Если проектом предусмотрена улучшенная или высококачественная отделка, используют древесные слоистые пластики. При производстве отделочных работ широкое применение нашли обои, которые применяют для оклейки стен и потолков. Это рулонный материал на бумажной основе с печатным или рельефным рисунком. При защите бумажной поверхности прозрачными пленочными составами (моющиеся, влагостойкие) их можно использовать в комнатах, требующих влажной уборки (кухни, туалеты, ванные). Для покрытия полов в жилых и общественных помещениях применяют половые доски, паркет, паркетные доски, древесностружечные и твердые древесноволокнистые плиты. Эти материалы нельзя использовать в помещениях с влажным режимом работы (влажность более 60 %) и большими пешеходными нагрузками (полы в вестибюлях, торговых залах, столовых). Такие материалы, как теплоизоляционный фибролит, арболит, мягкие древесноволокнистые плиты средней плотностью 175 - 500 кг/м , применяют для утепления тонких кирпичных и бетонных стен в сельскохозяйственных постройках, ограждающих стеновых конструкций жилых, общественных и промышленных зданий с сухим режимом эксплуатации. Акустические фибролитовые и мягкие древесноволокнистые плиты применяют при строительстве зданий аэропортов, фойе театров, кафе, ресторанов, используя их для выполнения звукопоглощающих подвесных потолков. Для улучшения акустических свойств на их поверхность наносят специальные объемные штукатурки или выполняют перфорацию. К столярным изделиям относятся оконные и дверные блоки, подоконные доски, ворота деревянные. Номенклатура погонажных изделий приведена на рис. 2.3. Материалы и изделия, применяемые в строительстве, представлены в табл. 2.2. Таблица 2.2 Применение материалов и изделий из древесины
2.2. Полимерные материалы и изделия Еще в древнейшие времена были известны такие природные полимерные материалы, как битумы (асфальты). За 700 лет до н. э. в Вавилоне природный полимер-битум применяли как цементирующий и водостойкий материал при строительстве канала под рекой Евфрат. Впоследствии эти материалы получили дальнейшее развитие только со второй половины XIX века. Именно в этот период проводят работы, посвященные химической переработке таких природных материалов, как целлюлоза, каучук и белок. В начале XX века были искусственно синтезированы новые высокомолекулярные вещества уже не на основе существующих природных полимеров, а на основе простых по химическому составу веществ. Громадное значение при этом имели работы основателя теории строения органических веществ русского химика Бутлерова, в частности, синтез изобутилена и исследования процесса его полимеризации. Начиная с 30-х годов прошлого века, большое значение приобрели полимеризационные пластики (полистирол, поливинилхлорид, полиме- тилмет-акрилат). Появились новые виды поликонденсационных полимеров: полиамидные, полиуретановые, кремнийорганические. 2.2.1. Получение и свойства полимерных материалов В настоящее время высокомолекулярные смолы, основу всех полимерных материалов, получают химическим путем в результате полимеризации простых молекул или поликонденсацией разных органических соединений. Процесс полимеризации осуществляется без выделения побочных продуктов путем разрыва двойных, тройных химических связей и соединения молекул в длинные линейные или разветвленные структуры. Например, этилен (СН2=СН2)п при полимеризации образует линейный полиэтилен (-СН2-СН2-)п. Для повышения скорости реакции используют нагревание или давление, а также ультрафиолетовые лучи, катализаторы, инициаторы. К полимеризационным полимерам, которые нашли широкое применение в строительстве, относятся: поливинилхлорид, полистирол, полиизобутилен, полиэтилен высокого и низкого давления. В результате реакции поликонденсации, в которой участвуют несколько веществ, образуются сложные по составу полимеры с линейным (полиамиды, поликарбонаты) или пространственным строением (фенолоформальдегидные, эпоксидные). При поликонденсации наряду с образующимся полимером выделяются такие побочные продукты, как газ или вода. В зависимости от применяемого исходного сырья полимерные материалы подразделяют на искусственные и синтетические. Искусственные получают путем химической модификации природных высокомолекулярных соединений (целлюлозы), синтетические - из различных мономеров. Сырьем для получения строительных материалов служат сложные пластические массы, которые состоят из смеси нескольких компонентов: связующего полимера, предназначенного для обеспечения пластичности смеси в нагретом состоянии и твердости в охлажденном (синтетические смолы, каучуки, целлюлоза); наполнителя (тонкомолотый асбест, песок, отходы резины) для снижения стоимости, повышения трещиностойкости, теплостойкости, твердости; пластификатора - для повышения эластичности готового изделия; отвердителя - для ускорения набора прочности; пигмента - для придания цвета. Свойства полимерных материалов и изделий, как и любых других, зависят от их состава и структуры. Микроструктура определяется в большей степени самим веществом, а макроструктура - способом получения. Изделия из пластических масс получают несколькими методами: прямого прессования пропитанной горячими смолами основы (ткани, древесного шпона, бумаги) в несколько слоев (листовые пластики) или полимерного пресс-порошка (плитки для облицовки полов); литьевого прессования вязкотекучей расплавленной смеси (плиточный и листовой материал с объемным рисунком для отделки стен и потолка); экструзии или продавливания пластичной массы через насадку определенного размера и формы (плинтусы, поручни для лестниц, рейки, герметизирующие и уплотняющие прокладки для окон и дверей, рулонное полотно для отделки полов и стен); промазки верхней поверхности полотна основы (бумаги, ткани, стеклоткани) пастообразной полимерной массой с последующим глубоким нанесением рельефного рисунка; вальцево-каландровым методом, который состоит из тщательного перемешивания компонентов на вальцах, последующей прокатки пластичной массы между двумя вращающимися в разные стороны валками с зазором, определяющим толщину будущего рулонного изделия, и нанесения объемного или плоского рисунка на поверхность. Последними двумя способами получают рулонные материалы для отделки вертикальных и горизонтальных поверхностей в помещениях различного назначения. Теплоизоляционные полимерные материалы получают несколькими способами. Первый - путем предварительного вспенивания пластичной полимерной массы за счет интенсивного механического перемешивания в сочетании с действием перегретого пара (110 °С) или введения пе- нообразующих добавок, последующей заливки смеси в форму, быстрого охлаждения ее для фиксации пористой структуры и резки по размерам (пенопласты). Второй - предусматривает использование в составе полимерной массы газообразующих компонентов, заполнение формы, подогрев для улучшения газообразования, быстрое охлаждение для фиксации структуры и при необходимости - резка по размерам (поропласты). Третий - за счет склеивания по контактам гофрированных листов бумаги, ткани или древесного шпона, пропитанных горячей смолой (сото- пласты). Четвертый - снижение средней плотности за счет введения в полимерную массу высокопористых заполнителей (перлита) или волокнистых компонентов. Широкое распространение полимерных материалов (пластмасс) в строительстве основано на их положительных свойствах: низкой истинной плотности, высокой водостойкости, гидрофобности. Это материалы, которые успешно работают в условиях действия истирающих нагрузок. Механическая прочность хорошо сочетается в них с пластичностью и упругостью. Высокая коррозионная стойкость обеспечила их применение в качестве антикоррозионных материалов для защиты бетонных и металлических конструкций. Имея неисчерпаемую цветовую палитру, пластмассы могут с успехом имитировать такие материалы, как древесина, природный камень, черные и цветные металлы. Важным положительным свойством пластмасс является хорошая технологическая обрабатываемость. Их можно легко резать, сваривать, шлифовать и полировать. Способность пластмасс соединяться с другими органическими и неорганическими материалами позволяет создавать на их основе новые прогрессивные композиционные материалы и конструкции различного назначения. Пластмассы имеют также ряд недостатков. Большинство из них обладают высоким коэффициентом термического расширения, повышенной ползучестью, неогнестойки. Под воздействием атмосферных факторов и особенно солнечных лучей полимеры стареют. Этот процесс сопровождается снижением прочности и эластичности. Материалы имеют сравнительно невысокую твердость и теплостойкость. По отношению к нагреванию полимеры подразделяют на термопластичные (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид) и термореактивные (на основе эпоксидных и полиэфирных смол). Для термопластичных переход из пластичного состояния (при нагревании) в твердое (при охлаждении) не сопровождается изменением состава и структуры изделия и, как следствие, физико-механических свойств. Нагрев же термореактивных полимеров приводит к структурным изменениям на микроуровне, что оказывает значительное влияние на их свойства, они становятся жесткими и хрупкими. 2.2.2. Применение полимерных материалов и изделий Анализ всех свойств полимерных материалов показал, что в строительстве экономически целесообразно использовать их при изготовлении несущих конструкций высокой коррозионной стойкости, покрытии полов, отделке стен, теплоизоляции ограждающих конструкций и технологического оборудования, герметизации стыков и швов в крупнопанельных зданиях, гидроизоляции кровель и фундаментов, изготовлении санитарно- технического оборудования и труб, а также для антикоррозионных работ. К несущим конструкциям можно отнести стены, оболочки и плиты покрытий, колонны, балки, дорожные плиты, покрытия пола промышленных зданий. Примером могут служить многослойные панели, которые применяют в качестве ограждающих конструкций для стен и покрытий. Они представляют собой деревянный или алюминиевый каркас, обшитый с двух сторон твердыми древесноволокнистыми и древесностружечными плитами с водостойким полимерным покрытием или листовым пластиком, промежуток между обшивками заполняют теплоизоляционными плитами из пено- или поропласта. Такие конструкции широко применяют в промышленном строительстве. Большой интерес представляют пневматические конструкции (мягкие оболочки), которые выполняют ограждающие функции свода. Заданную форму купола и несущую способность ему обеспечивает нагнетаемый воздух под давлением 0,1 - 1,0 кПа. Материалом для пневматических конструкций служат неармированные и армированные сеткой (капроновой, лавсановой, металлической) полимерные пленки, ткани, покрытые или пропитанные полимерами, высокопрочные стальные канаты. Мягкие оболочки применяют для покрытия рынков, спортивных залов. При заполнении водой или водой в сочетании с воздухом эти конструкции используют в качестве плотин. Преимущества жестких оболочек состоят в том, что они могут иметь как положительную, так и отрицательную кривизну поверхности. Пролеты, перекрываемые оболочками, могут достигать 90 - 110 м, масса 1 м покрытия составляет 7 - 20 кг. Материалом для жестких оболочек служат листовые стеклопластики, алюминиевые и стальные профили, клееные деревянные брусья и для обеспечения теплоизоляции - пенопласт. При строительстве цехов химической, пищевой, целлюлозно- бумажной промышленности встает вопрос обеспечения коррозионной стойкости несущих и самонесущих конструкций. Единственный материал, который отвечает комплексу заданных свойств, - полимербетон. Его получают путем интенсивного перемешивания в бетоносмесителе подогретых заполнителей (песка, щебня), полимерной смолы и добавок. Полученную массу помещают в форму, уплотняют и выдерживают при температуре до 100 °С. Полимербетоны обладают высокой механической прочностью (Ясж = 90 - 110 МПа, Ярас = 9 - 11 МПа), химической стойкостью, беспыльностью, гигиеничностью, водостойкостью. Все эти свойства предопределяют применение этих материалов для изготовления колонн, плит перекрытия, штучных материалов для покрытия пола. При производстве полимеррастворов в составе отсутствует крупный заполнитель (щебень). В зависимости от вида полимерного связующего полимербетоны могут быть фурановые, полиэфирные, эпоксидные; содержащие арматуру называют армополимербетонами. В зависимости от материала арматуры различают сталеполимербетон (стальная арматура) и стеклополимербетон (стеклопластиковая арматура). Арматура может быть в виде стержней, проволоки или отдельных волокон, равномерно распределенных по всему объему, - дисперсная арматура. В качестве дисперсной арматуры применяют короткие тонкие нити и волокна (фибры) из металла, стекла, горных пород и полимеров. Если в полимербетоне использовано дисперсное армирование, то бетон называют фиброполимербетоном. Стеклопластиковую арматуру получают путем скручивания пропитанных смолами стеклонитей в жгут и нанесения на поверхность полученных стержней специального защитного полимерного пленочного покрытия. Стеклопластиковая арматура обладает высокой прочностью, химической стойкостью, поэтому ее используют в железобетонных конструкциях, эксплуатируемых в условиях действия растворов кислот и солей. Повысить стойкость готовых железобетонных конструкций можно за счет их пропитки мономером, который, полимеризуясь в порах бетона, обеспечивает высокую плотность и коррозионную стойкость конструкций. Пропитка проводится в специальных герметичных камерах под давлением на глубину до 3 см. Такой материал называют бетонополимером, а конструкции и изделия - бетонополимерными. К конструкциям, испытывающим в процессе эксплуатации действие нагрузки, относится также опалубка. Опалубку применяют для получения на строительной площадке бетонных и железобетонных элементов и конструкций. Для ее изготовления используют древесностружечные плиты, водостойкую фанеру, пластики. Вследствие своей гидрофобности поверхность пластиковой опалубки обладает малым сцеплением с бетоном и не требует специальной смазки. Формы для производства сборного железобетона на заводе могут быть цельнополимерными или комбинированными. Последние получают путем облицовки деревянных поверхностей листами пластиков. Кроме вышеперечисленных имеется еще один вариант изготовления стеклопластиковой опалубки (форм) - методом напыления смеси стекловолокна со смолой на ограждающую поверхность, выполненную из ДВП, ДСП или фанеры. Кроме стеклопластиков для опалубки применяют листовой жесткий поливинилхлорид, бумажно-слоистые пластики, полиэтилен, резину. Для покрытия полов в строительстве используют полимерные растворы, рулонные (линолеумы), плиточные материалы и ворсовые ковровые изделия, которые используют как вторичное покрытие. Бесшовные монолитные покрытия из полимерных мастик, растворов и бетонов применяют в промышленных зданиях, где необходима коррозионная стойкость или имеются повышенные требования к полам по гигиеничности и беспыльно- сти покрытий. Покрытие выполняют в два слоя: нижний из полимербето- на, верхний из полимерраствора. Выравнивание и уплотнение проводят специальными вибраторами или катками. Самым распространенным материалом для покрытия полов является рулонный линолеум. Полы из линолеума удобны, так как упруги, заглушают шум шагов, малотеплопроводны, декоративны, легко моются, хорошо сопротивляются износу, долговечны. Качество линолеума оценивают по трем основным показателям: упругости, твердости и истираемости. По виду используемого основного сырья линолеумы можно разделить на по- ливинилхлоридные, резиновые и алкидные. Основной объем составляют поливинилхлоридные (ПВХ) линолеумы, которые выпускают безосновными, (методами экструзии, вальцево-каландровым) и основными (про- мазной способ) с гладкой или тисненой фактурой лицевой поверхности. В качестве основы используют джутовые ткани, стеклоткань и стеклосетку, а также нетканый иглопробивной материал, который придает линолеуму те- плозвукоизолирующие свойства. Аналогичные изделия получают при нанесении вспененной полимерной массы на подоснову. Эти материалы применяют для покрытия пола в жилых, общественных и промышленных зданиях при средней интенсивности движения. Резиновые линолеумы (релины) изготавливают на основе синтетических каучуков, наполнителей (тонкомолотые резиновые отходы, горные породы) и добавок. По конструкции они могут быть однослойными или многослойными на теплозвукоизолирующей подоснове. Этот вид материала хорошо зарекомендовал себя для покрытия полов животноводческих, медицинских помещений, в массовом жилищном строительстве используется ограниченно. Не рекомендуется воздействие кислот, щелочей, жиров, растворителей и нефтепродуктов. Алкидные линолеумы применяют в жилых помещениях, общественных, лечебно-профилактических и производственных зданиях. Полотна линолеума сваривают в цехах токами высокой частоты, горячим воздухом или инфракрасными лучами для получения ковра размером на комнату, что снижает трудоемкость отделочных работ на строительной площадке. Линолеум укладывают по тщательно выполненному ровному, сухому и чистому основанию и приклеивают специальными полимерными составами. К рулонным материалам можно отнести также ковровые ворсовые тепло- и звукоизолирующие покрытия, которые применяют в жилых и общественных зданиях. Их получают из синтетического ворсового материала на подоснове. Ворсово-прошивные (тафтинговые), иглопробивные войлочные ковры и ворсовые линолеумы - ворсолин применяют для устройства полов в гостиницах, театрах, библиотеках и т.д. Второе место по объему выпускаемой продукции для покрытия полов занимают плиточные полимерные материалы. В зависимости от применяемого связующего их можно разделить на кумароновые, поли- винилхлоридные, резиновые. Плитки получают методом прессования или вырубкой по размерам из полотна безосновного линолеума. Основное назначение - покрытие полов кухонь, коридоров, лестничных площадок. Достоинства плиточных покрытий: повышенная экономичность производства за счет снижения расхода полимерного связующего, высокая долговечность изделий и ремонтоспособность покрытия. Недостатки: малая декоративность, большое количество швов, снижающих монолитность покрытия, повышенная трудоемкость при устройстве полов. По сравнению с плиточными материалами преимущества линолеумов - в их индустри- альности, технологичности и большей монолитности, а также в низкой трудоемкости при укладке. Для отделки стен применяют пленочные безосновные и основные материалы, а также крупноразмерные листы и мелкоштучные плитки. Они могут быть окрашены в разные цвета с гладкой, тисненой или рельефной поверхностью. Отделку кухонь, прихожих, торговых залов, кафе выполняют с применением ПВХ-пленки на бумажной подоснове с различным печатным и тисненым цветным рисунком (полиплен, изоплен). Высокой декоративностью обладает девилон, имитирующий кожу, тексоплен - ткань с набивным рисунком, пропитанная специальным кремнийорганиче- ским составом. В отделке жилых (коридоры, прихожие) и общественных помещений все чаще находит применение рулонный вспененный на бумажной подоснове пеноплен. Этот материал запрещают использовать в детских учреждениях, больницах, так как он относится к группе сгораемых материалов. Возможность применения полимерных рулонных материалов оценивают по их поверхностному водопоглощению, гибкости и прочности на разрыв. Облицовку плитками санитарно-технических помещений, холлов, торговых залов выполняют с использованием специальных приклеивающих полимерных составов (мастик). Плитки выпускают полистирольные декоративные и ПВХ рельефные, имитирующие текстуру ценных пород древесины, лепные узоры. Вследствие низкой огнестойкости эти материалы запрещают применять в помещениях с нагревательными приборами открытого огня, в детских учреждениях и на лестничных клетках. Качество изделий оценивают по соответствию ГОСТу внешнего вида и термостойкости. Для отделки стен широкое распространение нашел листовой бумажно-слоистый пластик, который выпускают одноцветным и многоцветным с имитацией ценных пород дерева, камня. Облицовочные рельефные поливинилхлоридные панели полидекор применяют для отделки стен и потолков общественных и производственных зданий. Листы изготавливают с рельефным рисунком, одноцветными и многоцветными, с печатным рисунком, гладкой или тисненной лицевой поверхностью. К материалам специального назначения относятся акустические, теплоизоляционные, кровельные, гидроизоляционные, герметизирующие и антикоррозионные. Акустические звукоизоляционные материалы используют в конструкциях между перекрытиями и стенами в виде гибких, упругих прокладок из пенополиуретана или губчатой резины. По этому же назначению применяют упругие минераловатные маты и плиты, представляющие собой крупноразмерные изделия, в состав которых входят каменные, шлаковые или стеклянные волокна, скрепленные полимерными смолами, а также пенопо- лиуретановые и пеновинилхлоридные плиты, располагаемые под покрытием пола. Звукопоглощающие материалы необходимы для снижения шума в промышленных цехах, зрительных залах, учебных аудиториях, теле- и радиостудиях. Эффект звукопоглощения обеспечивает высокая сквозная пористость материала (минераловатные, стекловатные плиты на фенолофор- мальдегидном, битумном или крахмальном связующем) или искусственно выполненная перфорация. В качестве перфорированного покрытия можно использовать слоистый пластик. Основу полимерных изделий (плит) составляют вспененные или газонаполненные пластмассы с открытой пористостью. Теплоизоляционные материалы на основе пластмасс изготавливают из различных полимеров: полистирола, полиуретана, полихлорвинила, полиэтилена и др. Пенопласты характеризуются высокими теплоизоляционными свойствами в сочетании с хорошими прочностными показателями. Одним из высокоэффективных теплоизоляционных материалов является мипора, полученная вспениванием мочевиноформальдегидной смолы. Ее применяют в виде блоков плотностью 10 - 20 кг/м для теплоизоляции кирпичных стен и трехслойных каркасных панелей. По строению теплоизоляционные пенопласты имеют преимущественно замкнутые поры. Свойства материалов в зависимости от вида полимера и способа производства колеблются в широких пределах: плотность 10 - 150 кг/м ; теплопроводность при температуре 20 ± 5 °С - 0,023 - 0,052 Вт/(м-К), прочность 0,05 - 4 МПа, объемное водопоглощение - 2 - 70 %. По огнестойкости изделия относятся к трудносгораемым и сгораемым материалам. Пенопласты широко применяют для теплоизоляции трубопроводов и оборудования, для утепления строительных ограждающих конструкций и защиты холодильных агрегатов. Температура применения пенопластов в зависимости от вида смолы находится в пределах от -180 до +100 °С. Проблема улучшения теплотехнических свойств ограждающих конструкций решается за счет применения многослойных стеновых и кровельных панелей, средний слой которых выполняют из эффективного плитного утеплителя или применяют способ вспенивания полимера непосредственно в полости строительных конструкций. По этой технологии гранулы полимера нагревают паром или токами высокой частоты, заливают между слоями панели и охлаждают до определенной температуры. В связи с высокими водостойкостью, водонепроницаемостью, часто сочетающимися с гидрофобными свойствами, полимеры нашли широкое применение при выполнении кровельных работ и гидроизоляции строительных конструкций. В качестве кровельных используют листовые и рулонные изделия, мастичные составы. Наибольшее распространение среди листовых кровельных материалов получили плоские и волнистые полиэфирные стеклопластики. Эти материалы обладают высокой прочностью, стойкостью к атмосферным воздействиям, повышенным светопропусканием (до 85 %). Основным назначением кровельных стеклопластиков является устройство крыш для неотапливаемых построек - павильонов, веранд, складов, а также теплиц и оранжерей. Рулонные материалы одновременно выполняют роль кровельных и гидроизоляционных. К ним относятся армированные стеклосеткой и неар- мированные полимерные пленки, безосновные материалы, в состав которых входят резиновые смеси в сочетании с наполнителями и специальными добавками (гидробутил, бутизол, бутерол) или полученные на основе стеклосетки и стеклоткани с пропиткой и покрытием их с двух сторон полимерными мастичными составами (армобитэп, эластостеклобит и др.). Интересно применение нового полимерного материала кровелит, который представляет собой мастичную композицию на основе хлорсульфи- рованного полиэтилена. Для получения прочного водостойкого верхнего покрытия состав с помощью валиков наносят на поверхность железобетонной или асбестоцементной плиты в несколько слоев, где он подсыхает и превращается в упругий эластичный резиновый ковер, успешно работающий при температуре от -45 до +120 °С. Для производства новых рулонных гидроизоляционных материалов используют синтетические полиамидные, полиэтиленовые волокна, соединенные синтетическими смолами, латексами. Иногда в массу добавляют легкоплавкие волокна, которые при плавлении и прокатке образуют непрерывное полотно. Широкое применение находят синтетические волокна с добавлением минеральных волокон (стеклянных, шлаковых) и связующего вещества для производства нетканых синтетических полотен. Существуют различные комбинации органических волокон с неорганическими (металлическими, шлаковыми, стеклянными, базальтовыми), повышающими прочность, долговечность рулонных материалов. В качестве связующего используют винилацетат, фенольные смолы, эфиры полиакриловой кислоты, органосиликаты и латексы. Важная задача в строительстве - герметизация стыков между строительными блоками и панелями, так как стыки являются наиболее уязвимым местом в зданиях. Герметизирующие материалы для долговечного и надежного обеспечения монолитности сооружения должны быть атмосферо- и влагостойкими, устойчивыми к многократным сезонным и суточным температурным изменениям, иметь хорошие тепло- и звукоизоляционные свойства. Применяемые материалы представляют собой мастичные составы, эластичные прокладки в виде пористых или плотных ре- зиноподобных полимерных жгутов (пороизол, гернит и др.). Мастичные составы получают путем смешивания органических связующих с тонкомолотыми наполнителями и специальными добавками, повышающими стойкость материала к действию ультрафиолетовых лучей, замедляющими процесс старения и т. д. В качестве наполнителей, снижающих расход связующего и повышающих эксплуатационные свойства, используют порошкообразные или тонкомолотые волокнистые неорганические материалы (песок, шлак, асбест). При их введении снижаются усадочные деформации при отверждении композиций, повышаются теплостойкость и механическая прочность. Тонкодисперсные отходы резины применяют для увеличения упругости и эластичности. По виду используемого связующего мастики классифицируют на полимерные, битумно- полимерные и битумные. По технологии применения - на горячие, требующие разогрева перед нанесением на поверхность, и холодные, пластичность которых обеспечивают вода (эмульсионные) или растворитель. Кроме герметизирующего назначения мастики используют для приклеивания рулонных материалов при устройстве кровли, паро- и гидроизоляции трубопроводов и строительных конструкций, а также с целью защиты их от коррозии. Антикоррозионные полимерные материалы выпускают в виде лакокрасочных составов, замазок, мастик, растворов и бетонов, а также таких изделий, как плитки и листы. Основное их назначение - защита строительных конструкций и технологического оборудования от разрушения. Полимеррастворы и полимербетоны на основе фурановых смол применяют для устройства полов при действии кислот, щелочей и органических растворителей. На основе термопластичных смол (полистирола, по- ливинилхлорида, полиэтилена, полиизобутена) для оклеечной антикоррозионной защиты строительных конструкций производят изделия и материалы в виде листов, плиток и пленок. В качестве фиксирующих композиций используют специальные клеи, замазки, мастики на основе химически стойких высокомолекулярных смол. Красочные составы применяют для защиты поверхности строительных конструкций от коррозии, загнивания, поглощения влаги, а также для придания им декоративности. В зависимости от назначения в покрытии различают следующие виды малярных составов: грунтовки, обеспечивающие сцепление покрытия с поверхностью; шпатлевки, предназначенные для заполнения пор, раковин и выравнивания окрашиваемой поверхности; окрасочные составы, придающие декоративность и выполняющие защитные функции по отношению к поверхности изделия и конструкции. Выбор лакокрасочных материалов, применяемых для защиты бетонных, железобетонных и металлических конструкций, проводят с учетом условий эксплуатации, вида и степени агрессивности среды, требуемой долговечности покрытия. В марку лаков, эмалей, красок входят цифры, обозначающие условно их назначение, буквы - вид полимерного связующего. Например, эмаль ЭП-225 - ограниченно-атмосферостойкая, на основе эпоксидной смолы. Окрасочные составы представляют собой вязкотекучие композиции, которые образуют при нанесении на поверхность изделий и отверждении пленочные плотные эластичные защитные покрытия. Основным компонентом этих материалов являются связующие (пленкообразующие вещества), обеспечивающие пластичность смеси, прочность и стойкость покрытия. В полимерных красочных составах в качестве связующего используют высокомолекулярные смолы, в масляных - олифы. Олифы могут быть получены путем переработки растительных масел (льняного, конопляного и др.) - натуральные, полунатуральные и синтетические- на основе полимерных смол. В зависимости от пластичности масляные краски подразделяют на густотертые и готовые к употреблению (при увеличении расхода олифы). Для ускорения отверждения пленки в масляные краски вводят сиккативы. Качество связующего оценивают по вязкости, цвету по йодомет- рической шкале и скорости высыхания. При растворении полимерного связующего органическим растворителем (бензином, уайт-спиритом, толуолом, скипидаром) получают лак, образующий при нанесении на поверхность прозрачное защитное покрытие, путем введения в лак пигмента - эмаль. Пигмент представляет собой тонкомолотый окрашенный порошок, не растворимый в воде, связующем и растворителе. По происхождению пигменты могут быть органическими, обладающими высокой интенсивностью цвета, но пониженной долговечностью, и минеральными - атмо- сферостойкими. Качество пигментов оценивают по степени их измельчения - тонкости помола (дисперсности), укрывистости (раходу пигмента на единицу окрашиваемой поверхности) и маслоемкости (минимальному расходу связующего, необходимого для получения однородной пластичной массы определенной молярной консистенции). Красочный состав включает связующее, пигмент, растворитель (или разбавитель) и наполнитель. Наполнитель применяют в виде слабоокрашенного тонкомолотого минерального материала (кварцевого песка, мела, талька, доломита, каолина). Основное назначение этого компонента - повышение вязкости состава, прочности, плотности, температуроустойчивости и снижение деформатив- ности защитного пленочного покрытия, а также сокращение расхода дорогостоящего пигмента. Разбавители используют для уменьшения вязкости красочного состава, в отличие от растворителя они не растворяют связующее. Разбавителем может быть вода в водоэмульсионных красках, олифа - в масляных красках. При испытании красочных составов определяют их вязкость, твердость пленки, прочность при ударе и изгибе.
Материалы, применяемые в строительстве, представлены в табл. 2.3.
|
Рис. 2.1. Разрезы ствола дерева: а - торцевой; б - тангенциальный; в - радиальный;
Элементы древесины: 1 - сердцевина; 2 - ядро; 3 - заболонь; 4 - кора
Рис. 2.2. Пиломатериалы: а - пластины; б - четвертины; в - горбыль; г, е - доска обрезная; д - доска полуобрезная; ж - брус четырехканатный; з - брус чистообрезной
Рис. 2.3. Погонажные изделия: а - шпунтованные доски; б - фальцовые доски; в - плинтус; г - наличник; д - поручень