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).

Рис. 2.1. Разрезы ствола дерева: а - торцевой; б - тангенциальный; в - радиальный; Элементы древесины: 1 - сердцевина; 2 - ядро; 3 - заболонь; 4 - кора

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

Рис. 2.2. Пиломатериалы: а - пластины; б - четвертины; в - горбыль; г, е - доска обрезная; д - доска полуобрезная; ж - брус четырехканатный; з - брус чистообрезной

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

Рис. 2.3. Погонажные изделия: а - шпунтованные доски; б - фальцовые доски; в - плинтус; г - наличник; д - поручень

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 (Я_сж = 90 - 110 МПа, Я_рас = 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.