Гинберг А.M. и др. Технология важнейших отраслей промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
191
прямой перегонки нефти), жидкие продукты переработки каменных углей и
горючих сланцев, гудроны.
Реактивное топливо применяется в реактивных и газотурбинных
двигателях, получают его из нефти фракционной перегонкой. В основном это
керосины, содержащие бензиновые и утяжеленные фракции и различные
присадки. Присадки ускоряют отстаивание механических примесей,
увеличивают термическую стабильность, усиливают смазывающие и ослабляют
абразивные свойства продуктов сгорания.
Смазочные масла получают перегонкой мазута под вакуумом; применяются
они во всех движущихся деталях для уменьшения трения и отвода теплоты.
Лучшее сырье — малосмолистые и малопарафинистые нефти. По назначению
классифицируются на моторные, индустриальные, турбинные, компрессорные,
цилиндровые, трансмиссионные и т. д., а по температуре застывания — на
летние и зимние. На основе смазочных масел готовят несмазочные композиции,
предназначенные для передачи импульса давления в гидроприводах и
тормозных системах. Тщательно очищенная узкая фракция некоторых
масляных дистиллятов используется в электротехнике для заполнения
масляных трансформаторов, выключателей, реостатов. Применяемое для этих
целей трансформаторное масло является хорошим диэлектриком и
теплоотводящей средой.
Консистентные смазки получают добавлением к смазочным маслам
загустителей (мыла, церезина, сульфидов, силикатов). Это улучшает их
вязкостно-температурные свойства и делает пригодными к применению в
случаях, когда обычная жидкая смазка не может быть использована из-за
особых условий работы и конструкции узла трения. Так, антифрикционные
консистентные смазки применяют для уменьшения трения и износа, защитные
— для предохранения металлических деталей от коррозии, уплотнительные —
для герметизации различных соединений. Введением специальных присадок
таким смазкам дополнительно придают повышенную стойкость к агрессивным
средам, высоким и низким температурам, влаге и т. д.
Глава 15 Строительные материалы
§ 15.1. Общие сведения
Промышленность строительных материалов СССР представляет собой
комплексную отрасль. По числу отраслей промышленность строительных
материалов уступает лишь таким комплексным отраслям, как машиностроение
и металлообработка. Технология строительных материалов и изделий включает
в себя производство нерудных (природные каменные) строительных
материалов, бетонных и железобетонных изделий, вяжущих, керамики,
асбестоцементных материалов и т. д. Строительство является
одним из
основных потребителей лесной, деревообрабатывающей промышленности,
черной и цветной металлургии, химии и др. Таким образом, понятие
192
«промышленность строительных материалов» в настоящее время значительно
уже понятия «производство материалов, применяемых в строительстве».
Объемы перевозок строительных материалов состаляют более четверти
грузооборота страны.
В общем объеме строительно-монтажных работ, выполняемых ежегодно,
доля стоимости строительных материалов и изделий составляет около 60% и
имеет тенденцию роста в связи с дальнейшей индустриализацией
строительства.
Промышленность строительных материалов СССР устойчиво занимает
первое место в мире по производству цемента, сборного железобетона,
листового стекла. В 80-е годы в промышленности строительных материалов
преимущественное развитие получит производство изделий, обеспечивающих
дальнейшую индустриализацию строительства, снижение его металлоемкости,
стоимости, трудоемкости и массы зданий.
В промышленности строительных материалов непрерывно
совершенствуется ассортимент и улучшается качество изделий. В течение
одиннадцатой пятилетки значительно возрастет выпуск высокомарочных,
многокомпонентных и специальных цементов, улучшится качество кровельных
материалов, санитарно-технического оборудования, будет совершенствоваться
перевооружение кирпичного производства на базе новейшей техники. Будут
развиваться мощности по производству строительных материалов с
использованием золы и шлаков тепловых электростанций, металлургических и
фосфорных шлаков, отходов горнодобывающих отраслей промышленности,
получит дальнейшее развитие производство нерудных материалов, увеличится
производство стекла, эффективных отделочных тепло- и звукоизоляционных
материалов.
§ 15.2. Основные виды строительных материалов
Природные (естественные) материалы, применяемые в строительстве
Из нерудного сырья получают самые разнообразные строительные
материалы: заполнители для бетонов и растворов, стеновые материалы,
облицовочные плиты, материалы для дорог (брусчатка, щебень, песок и др.),
материалы для гидротехнических сооружений, жаростойкие, химически
стойкие облицовочные материалы, материалы для футеровок и кладок.
Значительную часть этих материалов получают путем добычи или первичной
обработки сырья в карьерах.
Из нерудного сырья (глина, пески, известняки, мергели и др.) изготовляют
керамические материалы, стекло, цемент и другие строительные материалы, его
используют для производства бетона и железобетона. От качества заполнителя
(щебня, гравия, песка) в значительной мере зависит качество и стоимость
бетонных и железобетонных конструкций.
193
По физико-механическим свойствам стеновые материалы из естественного
камня не уступают искусственным материалам — кирпичу, а по декоративным
качествам превосходят его.
Применение облицовочных материалов из природного камня (гранитов,
габбро, мрамора, известняков, туфов) за счет их высокой долговечности
обеспечивает значительное снижение эксплуатационных затрат в сравнении с
затратами на эксплуатацию зданий, отделанных цветными растворами и
бетонами или силикатными и известковыми красками.
Керамические материалы
Керамические материалы применяют для кладки наружных и внутренних
стен (кирпич и керамические блоки), облицовки наружных, внутренних степ и
полов зданий (лицевой кирпич, керамические камни, плитка для стен и полов),
кровельных покрытий (черепица), трубопроводов (керамические
канализационные и дренажные трубы), в сантехоборудовании зданий (изделия
из строительного фаянса) и т. д.
Многообразие областей применения керамических материалов объясняется
широким диапазоном свойств и рядом преимуществ этих материалов: широко
распространенное сырье, долговечность, невысокий уровень затрат по
эксплуатации зданий и сооружений за счет хороших физико-механических
свойств (высокая прочность, морозо-, водо-, огнестойкость).
К недостаткам строительных изделий из керамических материалов надо
отнести их малые размеры, что приводит к значительной трудоемкости
строительных работ, большую объемную массу, а также сравнительно большую
продолжительность и энергоемкость технологического процесса их
производства. Основным видом продукции действующих кирпичных заводов
является обыкновенный (полнотелый) глиняный кирпич (объемная масса
свыше 1600 кг/м
3
). Высокая теплопроводность и большая объемная масса
керамических стеновых материалов (полнотелого глиняного кирпича) приводят
к значительному их расходу на возведение зданий и сооружений.
Переход на производство эффективной пористо-пусто- тельной стеновой
керамики (объемная масса менее 1450 кг/м
3
) позволяет укрупнить изделия,
улучшить теплотехнические свойства стен и, как следствие этого, уменьшить
их толщину. Применение эффективной стеновой керамики укрупненного
формата дает возможность сократить трудоемкость кладочных работ (за счет
снижения толщины стен и применения укрупненных изделий), сократить сроки
строительства, снизить транспортные расходы и расход строительного раствора
за счет сокращения количества кладочных швов.
Огнеупорные материалы
Огнеупорные материалы применяют при сооружении металлургических,
коксохимических, цементных
, стекловаренных промышленных печей и других
тепловых агрегатов. Огнеупорные материалы обладают способностью
длительно выдерживать, сохраняя физические свойства и химическую
194
стойкость, действие высоких температур, печных газов, расплавленных
металлов, стекломасс, шлаков и резкие колебания температур рабочей
среды.
Область использования огнеупоров зависит от степени огнеупорности
(огнеупорные — 1580—1700°С; высокоупорные — 1700 - 2000°С; высшей
огнеупорности - более 2000°С), химической стойкости по отношению к
технологической среде, термостойкости (способности выдерживать резкие
колебания температур) и др.
Применение легковесных огнеупоров (пористость 45 — 85%) значительно
(в 2—4 раза) сокращает продолжительность холостого хода (разогрева) печей,
на 20—70% снижает удельные расходы топлива при уменьшении в 2-3 раза
толщины ограждающих стен. Производство легковесных огнеупоров
непрерывно расширяется.
Минеральные вяжущие
К минеральным (неорганическим) вяжущим веществам относятся
порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой образуют
вязкопластичное тесто, переходящее под влиянием физико-механических
процессов в камневидное состояние. Переходя из тестообразного в
камневидное состояние, вяжущее вещество скрепляет между собой камни,
зерна песка, щебня, гравия. Это свойство вяжущих используют при
изготовлении бетонов, силикатного кирпича, асбестоцементных материалов,
строительных растворов — кладочных и штукатурных. Начало и конец
схватывания характеризуют срок схватывания, в течение которого тесто
полностью теряет пластичность. Сроки схватывания, твердения и прочность
(марка) искусственного камня, полученные в результате твердения вяжущего,
— основные свойства этих материалов.
Минеральные вяжущие материалы делятся на воздушные, способные
затвердеть и сохранять прочность только на воздухе (известь, гипс,
магнезиальные вяжущие, жидкое стекло), и гидравлические вяжущие,
твердеющие и сохраняющие прочность на воздухе и в воде (цементы —
клинкерные и бесклинкерные). Эти свойства вяжущих определяют область их
применения.
Цементы (портландцементы, шлакопортландцементы и пуццолановые
портландцементы) — основная группа вяжущих материалов; выпускаются
нашей промышленностью в широкой номенклатуре, обеспечивающей
применение их во всех областях строительства: производстве бетона и
железобетона, в гидротехническом и дорожном строительстве.
При производстве цементов в их состав вводят добавки, позволяющие
экономить вяжущие материалы (шлакопортландцемент содержит
значительную добавку шлаков) или придающие вяжущим специальные
свойства (гидрофобные, пластифицирующие). Введение гидрофобно-
пластифицирующих добавок придаст специальные свойства цементу и
позволяет снизить расход вяжущего на 10 — 15%. Значительный
экономический эффект дает применение быстротвердеющих и
195
особобыстротвердеющих цементов, характеризующихся ускоренным
нарастанием прочности в начале твердения.
Производство цемента в СССР постоянно растет. За период 1950—1970 гг.
выпуск цемента увеличился в 12 раз.
1962 г СССР занимает первое место в мире по объему производства
цемента. В одиннадцатой пятилетке запланировано произвести 140—142 млн. т
цемента. Воз- растает выпуск чисто клинкерных портландцементов; будет
расти производство клинкерных цементов по «сухому» способу, позволяющему
значительно снизить расход топлива по сравнению с традиционным
(«мокрым») способом; будет развиваться наиболее экономичный
(исключающий потери) способ транспортировки цемента (доставка клинкера с
обеспечением помола и получения вяжущих нужных марок в местах крупного
строительства).
Бетон, железобетон и строительные растворы
Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в
результате формования и твердения «правильно подобранной» бетонной смеси,
состоящей из минерального вяжущего, мелкого и крупного каменного
заполнителя (песка и щебня или гравия) и воды. Состав бетонной смеси должен
обеспечивать бетону в определенные сроки заданные свойства (объемную
массу, прочность, морозостойкость, водонепроницаемость). Объемную массу
бетона, прочность, теплопроводность и другие характеристики можно изменять
в широких пределах, что дает возможность получать материал с заданными
свойствами. Конструкции из бетона долговечны, огнестойки.
Недостатком бетона, как любого каменного материала, является низкая
прочность при растяжении и изгибе, которая в 5—10 раз ниже прочности при
сжатии. Этот недостаток устраняется в железобетоне, где растягивающие
нагрузки воспринимает арматура.
Железобетон — это материал, в котором стальная арматура и бетон
соединены монолитно, работают в конструкции как единое целое. Это
обеспечивается близостью значений коэффициентов температурного линейного
расширения бетона и металла и прочного сцепления компонентов в процессе
изготовления конструкций.
Строительные растворы состоят из смеси вяжущего вещества, воды и
мелкого заполнителя (песка), применяют их для кладочных, штукатурных и
монтажных работ.
Бетон и железобетон являются главными строительными материалами,
которые применяются во всех областях строительства и являются основой
индустриализации строительства. По способу изготовления бетонные и
железобетонные конструкции могут быть сборными и монолитными. Сборные
конструкции изготовляют серийно на заводах в виде крупногабаритных
изделий для фундаментов, каркасов, стен, перекрытий, покрытий зданий, в виде
конструкций мостов и т. д. Такие конструкции на строительных площадках
196
собирают с помощью монтажных кранов, что обеспечивает значительное
сокращение сроков и трудоемкости строительства.
Монолитные конструкции изготовляют на месте будущего сооружения в
форме — опалубке, воспроизводящей габариты и конфигурацию конструкций.
Метод монолитного бетонирования конструкций с применением
механизированной опалубки стал современным индустриальным методом
возведения зданий и сооружений. Повышенная пространственная жесткость
монолитных железобетонных конструкций и сооружений делает их применение
экономически целесообразным в сейсмических районах, при строительстве на
просадочных грунтах, при строительстве зданий повышенной этажности с
монолитными ядрами жесткости и др.
В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8—
15%, а заполнителей — 80— 85% (по массе). В качестве заполнителей
применяют нерудные каменные материалы: песок, гравий, щебень, побочные
продукты промышленности (дробленые и гранулированные металлургические
шлаки), а также специально приготовленные пористые заполнители (керамзит,
аглоперит, перлит). Тип заполнителя определяет объемную массу и область
применения бетона.
В зависимости от объемной массы различают бетоны: особо тяжелые с
объемной массой более 2500 кг/м
3
изготовляемые на особо тяжелых
заполнителях (магнетит, чугунный скрап и др.), эти бетоны применяют для
специальных защитных конструкций; тяжелые — с объемной массой 1800 —
2500 кг/м
3
(песок, гравий и щебень из тяжелых вулканических и осадочных
горных пород), применяются для всех несущих конструкций; легкие — с
объемной массой 500—1800 кг/м
3
(пористые природные и искусственные
заполнители), подразделяющиеся на: а) легкие конструктивные — для несущих
конструкций надземной части зданий, б) легкие конструктивно-
теплоизоляционные — для наружных ограждающих конструкций зданий; особо
легкие — с объемной массой менее 500 кг/м
3
(ячеистые и на пористых
заполнителях), применяемые для теплоизоляции.
Технико-экономическими преимуществами применения бетона и
железобетона являются:
индустриальность, универсальность этих материалов — возможность
задавать материалу нужные свойства и форму в зависимости от области
применения (конструкционный, теплоизоляционный, жаростойкий);
применение местного сырья (пе
сок, щебень, гравий), возможность
механизации и автоматизации процессов производства бетонных смесей и
конструкций на ее основе;
значительное сокращение расхода стали в сравнении с металлическими
конструкциями;
высокая долговечность и низкий уровень эксплуатационных затрат.
197
Недостатками бетона и железобетона является большая масса несущих
конструкций, появление трещин в растянутой зоне изгибаемых элементов
(перекрытия, покрытия).
Совершенствование производства железобетонных конструкций идет по
пути снижения массы, повышения степени заводской готовности и качества
изделий. Применение предварительно напряженного железобетона повышает
прочностные качества и водонепроницаемость, снижает расход стали и массу
конструкций, позволяет изготовлять изделия большей длины. Предварительно
напряженные конструкции применяют для строительства зданий и сооружений
с большими пролетами и значительными нагрузками.
Силикатные (автоклавные) материалы
Силикатные (автоклавные) материалы обладают широким диапазоном
свойств и служат для изготовления разнообразных материалов: силикатного
кирпича, изделий из плотного армированного и ячеистого силикатного бетона.
Силикатные материалы готовят из смеси извести, кварцевого песка и воды
путем формования и последующей термообработки в автоклавах при давлении
0,8 — 1,2 МПа и температуре 175 - 200°C.
Плотный силикатный бетон является разновидностью тяжелого цементного
бетона и применяется для несущих конструкций. Ячеистые силикатные бетоны
применяют для изготовления наружных ограждающих конструкций,
обладающих хорошими теплотехническими свойствами и высокой заводской
готовностью.
Производство конструкций из силикатного бетона позволяет заменить
цемент известью и снизить расход вяжущего, исключает применение щебня
(гравия), что обеспечивает снижение массы и стоимости этих конструкций но
сравнению с конструкциями из цементного бетона.
Силикатный кирпич значительно дешевле керамического за счет
сокращения топливоемкости и продолжительности технологического цикла
изготовления.
Показатели водостойкости и морозостойкости силикатных материалов
несколько ниже, чем у цементных бетонов, что исключает их применение для
конструкций, работающих во влажной среде (гидротехническое строительство
и др.).
Автоклавная технология дает возможность на основе общего исходного
сырья получать широкий ассортимент силикатных материалов, изделий, что
обеспечивает возможность изготовления комплектов конструкций для
индустриального строительства. Сырьевая база для производства силикатов
значительно шире, чем для бетонных и керамических изделий. В качестве
заполнителей в силикатах применяют широко распространенные пески, а также
шлаки и золы металлургических предприятий и ТЭЦ. Их использование
позволяет дополнительно снизить расход вяжущих и стоимость изделий.
198
Асбестоцементные материалы
Асбестоцемент является цементным материалом, упрочненным асбестовым
волокном. Асбестоцемент — прочный, сравнительно легкий, огнестойкий, био-
и атмосферостойкий материал; изделиям в процессе изготовления можно
придать различную форму, фактуру, цвет. Конструктивные качества
асбестоцемента выше, чем у бетона.
В современном индустриальном строительстве применяют
асбестоцементные листовые материалы (для кровель и облицовки), панели для
стен, плиты покрытий, трубы. Трехслойные утепленные конструкции стен и по-
крытий зданий позволяют снизить массу и повысить степень сборности зданий;
применение асбестоцементных труб дает возможность экономить металл и
увеличить срок службы трубопроводов (по сравнению с металлическими).
Стекло и изделия на его основе
Область применения строительного стекла и изделий нa его основе за два
последних десятилетия значительно расширилась. Наряду с традиционными
видами строительных листовых материалов (стекло оконное, витринное) в
практику прочно вошли объемные
конструктивные изделия из стекла
(стеклоблоки, стеклопрофилит, стекло- п
акеты), трубы, облицовочные
мат
ериалы (плитка стеклянная), изделия из закаленного стекла (дверные,
полотна, стемалит), теплоизоляционные материалы (стекловолокно,
пеностекло), ситаллы и шлакоситаллы. Основными свойствами,
определяющими применение стекла в строительстве, являются: прозрачность,
высокая прочность при сжатии, небольшая теплопроводность, твердость,
химическая стойкость, изотропность.
Применение новых материалов и изделий на основе стекла обеспечивают
индустриализацию строительства, снижают расход древесины, улучшают
теплотехнические свойства и снижают массу конструкций. Шлакоситаллы,
получаемые из отходов металлургии, химической промышленности,
теплоэнергетики, применяют в гидротехническом и дорожном строительстве
при изготовлении плит для покрытия полов и облицовки зданий,
пеношлакоситалловых теплоизоляционных изделий. Обладая всеми
положительными свойствами стекла, шлакоситаллы не лишены недостатков
стекла — хрупкости, малой прочности при изгибе, малой термостойкости, так
как они имеют стеклокристаллическую структуру, полученную путем
направленной кристаллизации.
Теплоизоляционные материалы
Применение теплоизоляционных материалов (главной функцией которых
является тепловая изоляция ограждающих конструкций зданий,
промышленного и энергетического оборудования, трубопроводов и др.)
является одним из путей ускорения технического прогресса в строительстве.
Основным наиболее массовым видом теплоизоляционных материалов являются
минераловатные плиты и маты (более 50% в общем выпуске
199
теплоизоляционных материалов). Наиболее эффективны минераловатные маты
и плиты повышенной жесткости на синтетическом связующем, имеющие
объемную массу менее 200 кг/м
3
. Если для создания надежной теплоизоляции 1
м
2
наружной стены требуется 0,64 м
3
кирпича массой 1100—1200 кг или 0,32 м
3
керамзитобетона массой 250—
300 кг, то эти же функции могут быть
обеспечены 0,1 м
3
минераловатных изделий массой 25 — 30 кг или 0,05 м
3
поропласта массой 1,5—2 кг. Применение эффективных теплоизоляционных
материалов позволяет снизить не только массу конструкции и
грузоподъемность транспортного и монтажного оборудования при возведении
зданий, но и эксплуатационные расходы на отопление зданий в период всего
срока службы.
В качестве теплоизоляционных материалов широко применяются также
древесноволокнистые плиты, изделия из стекловолокна, теплоизоляционные
пластмассы, цементный фибролит и др.
Металлические конструкции
Конструкции из стальною проката широко применяют в строительстве
промышленных и гражданских зданий, мостов и других инженерных
сооружений. В последние годы все шире в строительстве используют алюми-
ниевые сплавы как конструктивный и отделочный материал. Алюминиевые
сплавы обладают высоким коэффициентом конструктивного качества, малой
объемной массой, стойкостью к коррозии, высокой технологичностью при
обработке прессованием, прокаткой. Эти качества алюминия позволяют
эффективно применять его и как конструктивно-облицовочный материал
(листы профилированные, анодированные). Листовые материалы применяют
для устройства перегородок, подвесных потолков и изготовления трехслойных
стеновых и кровельных конструкций в сочетании с эффективными
утеплителями. Однако алюминиевые сплавы пока еще остаются дорогим
строительным материалом.
Применение металлов позволяет создать долговечные, высокопрочные,
легкие конструкции. В настоящее время развивается производство
эффективных конструкций из металлических труб, гнутых профилей,
структурных конструкций и конструкций на основе стального
профилированного листа. Для работы конструкций под большими нагрузками
(подкрановые балки, каркасы нижних этажей многоэтажных зданий) и для
строительства в труднодоступных районах металлические конструкции, как
правило, эффективнее железобетонных.
Глава 16 Металлы и сплавы
§ 16.1. Общие сведения
Для изготовления деталей (заготовок) машин, приборов, агрегатов,
радиоэлектронных изделий используют конструкционные материалы и
200
материалы специального назначения (электротехнические, полупроводниковые
и
др.).
Конструкционные материалы подразделяют на металлические,
неметаллические и композиционные.
Особо большое значение в народном хозяйстве имеют металлы и их сплавы
благодаря наличию комплекса свойств: высокой твердости, прочности,
вязкости, пластичности, тепло- и электропроводности и др. Все металлы и
сплавы делят на черные (на основе железа) и цветные. Наибольшее применение
имеют сплавы, получаемые на основе меди, алюминия, цинка.
Металлы и их сплавы могут находиться в твердом, жидком и газообразном
агрегатных состояниях. Переход металлов и их сплавов в то или иное
агрегатное состояние связан с изменением температуры, давления.
В твердом состоянии металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. В
кристаллах атомы располагаются в строго определенном порядке, образуя при
этом простые или сложные решетки. Наиболее характерными для металлов
являются: объемно-центрированная кубическая (рис. 16.1, а),
гранецентрированная кубическая (рис. 16.1,б) и гексагональная
плотноупакованная (рис. 16.1,в) решетки.
Большое влияние на развитие науки о металлах и законов построения
кристаллической решетки оказали работы М. В. Ломоносова, Д. И. Менделеева,
П. П. Аносова, Е. С. Федорова и Д. К. Чернова.
Первичная кристаллизация металла (сплава) — процесс его перехода из
жидкого в твердое состояние. В отличие от материалов, которые затвердевают
при понижении температуры постепенно (рис. 16.2,а), металлы
кристаллизуются при постоянной температуре, называемой критической
температурой фазового превращения
или теоретической температурой
кристаллизации T. Практически же переход металла из жидкого состояния в
твердое, кристаллическое проходит при температурах ниже
T
s
(в интервале от
T
s
до T
0
,) (рис. 16.2,б).