Будівельні матеріали та вироби з них

Серед будівельних матеріалів природні кам’яні матеріали займають одне з основних місць. Загальна частка затрат у будівництві на ці матеріали перевищує 20%.

Слід взяти до уваги те, що у всьому світі розширюються галузі застосування природного каменю і, на думку спеціалістів, достойної заміни цьому матеріалу поки що не передбачається.

У сучасному будівництві визначились такі основні напрями використання матеріалів:

• штучне каміння та вироби для зведення стін будівель, улаштування підлог, сходів тощо;

• облицювальні (декоративні) вироби - плити, каміння, профільовані вироби;

• каміння та вироби для дорожнього будівництва - брущатка, шашка для брукування, плити, бордюрний камінь;

• каміння та вироби різних типів для гідротехнічних та інших споруд;

• нерудні матеріали - бутовий камінь, заповнювачі для бетону (щебінь, гравій, пісок).

Слухачі повинні пам’ятати про те, що гірські породи широко застосовують не лише для виготовлення кам’яних матеріалів, а й як сировину для одержання мінеральних в’яжучих речовин, керамічних, скляних та інших виробів. При цьому під дією спеціальних технологічних процесів (випалювання, спікання, плавлення тощо) принципово змінюються будова та властивості вихідних порід.

Потрібно звернути увагу на те, що найбільш поширеною є класифікація гірських порід за походженням:

Вивержені, або магматичні – які утворилися внаслідок охолодження й затвердіння магми.

Осадові – які виникли в поверхневих шарах земної кори внаслідок руйнування первинних порід.

Метаморфічні – які, утворені з вивержених і осадових

Слід зазначити те, що природні кам’яні матеріали залягають в надрах земної кори, а земна кора складається з таких оболонок - геосфер різної щільності (Мал.1). Кожна оболонка характеризується певним хімічним складом і фізичним станом речовини.

Мал. 1. Будова Землі: А - земна кора; Б - симатична оболонка;

В - проміжна оболонка; Г — зовнішнє ядро; Д - внутрішнє ядро

Геосфери поділяють на зовнішні та внутрішні. До зовнішніх відносять атмосферу, гідросферу та біосферу, до внутрішніх — верхню оболонку, симатичну оболонку, проміжну оболонку та ядро Землі.

Слід звернути увагу на те, що за останніми даними, хімічний склад земної кори містить в основному вісім хімічних елементів (99,03%).

Хімічний склад земної кори (за А.П. Виноградовим)

Таблиця 2.1

Хімічні елементи	O	Sі	А1	Fе	Са	Nа	K	Mg	Інші
Вміст, %	47,0	29,5	8,05	4,65	2,96	2,50	2,50	1,87	0,97

Особливу увагу слухачам слід звернути на те, що гірські породи поділяють на: тверді, середні, м’які. До м’яких порід належать мінерали з твердістю 6-7 (кварцит, граніт, діорит, габро) при розробці таких порід спочатку від них відокремлюють великий моноліт, який далі поділяють на блоки, це виконують буроклиновим та буро підривним методами, чи за допомогою ударних врубових машин. Для порід, що містять кварц можна використати термогазоструменевий метод – він ґрунтується на руйнівній дії внутрішніх напружень, що виникають при поліморфних перетвореннях кварцу під впливом високої температури.

При розробці порід середньої твердості (твердість не більше 5- це мармур, щільні вапняки, доломіти, деякі види туфу) блоки відокремлюють машинами з канатними пилками, в яких сталевий канат діаметром 3-6 мм є різальним органом. У пропил під канат подають абразив-кварцовий пісок з водою. Видобуті блоки доставляють з кар’єру на каменеобробний завод. Де їх розпилюють на плити або виготовляють фасовані вироби.

Потрібно акцентувати увагу на те, що останнім часом як абразивний матеріал застосовують надтверді матеріали (штучні алмази), що дає змогу до 10 разів збільшити швидкість та продуктивність різання, а також у 3-4 рази скоротити ширину пропилу, а товщина плит, може бути доведена до 10 мм.

Середні та м’які (твердість 2-3-це гіпс, ангідрит, вапняк-черепашник) породи видобувають у кар’єрах за допомогою каменерізальних машин, що мають твердосплавні, дискові ланцюгові плити. А також застосовують машини типу врубових і з ланцюговими пилками. Для опилювальних виробів природному каменю надають певний характер поверхні, використовуючи ударну чи абразивну обробку. Слід пам’ятати, що ударна обробка полягає в обколюванні поверхні каменю за допомогою каменетесального інструмента зі змінними наконечниками. Для тесання використовують широке долото-скальпель, для сколювання – спицю (гостре долото), для чистової обробки бучарду з середньою чи дрібною насічкою.

Для облицювальних кам’яних матеріалів довговічність оцінюють тривалістю служби каменю в роках до появи перших ознак руйнування і до стану загрозливого руйнування. Залежно від цього їх поділяють на чотири категорії (табл. 2.2)

Під час експлуатації в спорудах природні кам’яні матеріали постійно зазна­ють агресивного впливу навколишнього середовища, що призводить до поступового руйнування їх. На довговічність каменю впливають кліматичні, механічні, хімічні та біологічні фактори.

Класифікація облицювального каменю за довговічністю

Таблиця 2.2

Категорія довговічності	Найменування гірських порід	Теоретична довговічність в роках
		початок руйнування	загрозливе руйнування
Дуже довговічні	Кварцити, дрібно- і середньозернисті граніти		Більше 1500
Довговічні	Граніти крупнозернисті, лабрадорити, сієніти, габро	250...350	650...1000
Середньої довговічності	Білі і сірі мармури, щільні вапняки і доломіти, кремнисті пісковики	75...150	200...400
Зниженої довговічності	Кольорові мармури, гіпси, пористі вапняки	20...75	50...200

Під час експлуатації в спорудах природні кам’яні матеріали постійно зазнають агресивного впливу навколишнього середовища, що призводить до поступового руйнування їх. На довговічність каменю впливають кліматичні, механічні, хімічні та біологічні фактори.

До механічних факторів належать фактори ударної та стиральної дії (на пок­риттях підлог, сходів, доріг), стискувальні і особливо згинальні навантаження (в тому числі при усадці споруд).

До хімічних факторів, що негативно впливають на довговічність кам’яних виробів, відносять відкладання солей, які проникають з ґрунтовою водою при не­достатній гідроізоляції, наявність значної кількості газових викидів у повітрі про­мислових міст, особливо сірчаного газу, який при зволоженні породи утворює сірчану кислоту чи сірчанокислі солі.

Знижують довговічність кам’яних виробів і біологічні фактори. Вони є результатом життєдіяльності тваринних і рослинних мікро- й макроорганізмів: бактерій, екскрементів птахів і тварин, дріжджів, плісеневих грибів, мохів, лишайників, кореневих систем рослин, водоростей тощо.

Слухачі повинні звернути увагу на те, що перший патент на спосіб виробництва штучного каменю під назвою портландський цемент було отримано у 1824 році Джозефом Аспдіном. За минулі роки поліпшилась якість портландцементу, його середня міцність виросла майже у 10 разів. У практиці світового будівництва портландцемент є головним матеріалом для виробництва бетону, залізобетону та будівельних розчинів. Світове виробництво цементу перевищує 1,5 млрд.т.

Не потрібно забувати про те, що виробництво цементу може бути організовано сухим, мокрим та комбінованим способами.

Процес приготування сировинної суміші для отримання портландцементного клінкеру включає: подрібнення (крупне й тонке), дозування, змішування сировинних компонентів, коригування хімічного складу отриманої суміші та випалювання.

Сухий спосіб виробництва полягає у подрібненні й ретельному перемішуванні сухих або попередньо висушених сировинних матеріалів. Використання цього способу є доцільним при застосуванні однорідних за складом та структурою вапняку та глини вологістю від 10 до 15%.

Мокрий спосіб виробництва доцільно застосовувати, якщо м’яка сировина (крейда, глина) має значну вологість. Вихідні компоненти подрібнюють і змішують з великою кількістю води (36...42% від маси сухої речовини) до утворення рідкотекучої маси у вигляді суспензії (шламу). Мокрий спосіб дає змогу знизити енергоємність процесу подрібнення, полегшити транспортування й перемішування сировинної суміші, проте витрати палива на її випалювання в печі в 1,5...2 рази більші, ніж при сухому способі.

Портландцементний клінкер отримують у печах сухим способом у вигляді гранул, а в печах мокрим способом - у вигляді грудок неправильної форми (розміри в обох випадках досягають 20 мм).

Комбінований спосіб передбачає підготовку сировинної суміші з отриманням шламу, який потім зневоднюють до вологості 16... 18% та переробляють на гранули. Реалізація цього способу виробництва, порівняно з мокрим, дає змогу економити 20...30% палива.

Слід взяти до уваги те, що бетонна суміш на основі портландцементу використовується для отримання монолітного бетону для міського багатоповерхового будівництва, влаштування дорожніх та аеродромних багатошарових покриттів, збірних залізобетонних виробів та конструкцій, а також штучних виробів різного призначення (стінових, дорожніх, облицювальних, декоративних).

Потрібно звернути увагу на те, що за середньою густиноюу сухому стані бетони поділяють на:

- особливо важкі (понад 2500 кг/м³), що отримують з використанням бариту, залізних руд, сталевих відходів);

- важкі (2200...2500 кг/м³), що передбачають застосування заповнювачів із щільних гірських порід;

- полегшені (2000...2200 кг/м³) виготовляють з використанням нещільних заповнювачів (вапняк-черепашник, цегельний бій);

- легкі (500...2000 кг/м³) - виготовляють з використанням природних та штучних пористих заповнювачів (вулканічні та вапнякові туфи, пемза, керамзит, шлакова пемза, аглопорит);

- особливо легкі (менше 500 кг/м³) представлені насамперед ніздрюватими бетонами та бетонами на основі штучних пористих заповнювачів (спученого перліту та вермикуліту).

Необхідно пам’ятати те, що вапняні в’яжучі речовини використовують як для отримання дрібноштучних виробів, в тому числі силікатної цегли, так і великорозмірних виробів (блоків й панелей для стін та перекриттів).

Вироби та матеріали, відомі як силікатні, виготовляють формуванням зво­ложеної суміші вапняних в’яжучих та кварцового піску або інших заповнювачів із наступною термічною обробкою в автоклаві.

При виготовленні дрібноштучних силікатних виробів (цегли та каменів) як вихідну сировину застосовують вапно, що швидко гаситься. На більшості вітчизняних заводів для виробництва силікатної цегли й каменів використову­ють вапняно-кремнеземисті в’яжучі композиції, одержані одночасним помелом грудкового вапна й піску при співвідношенні компонентів 1:1 за масою.

Слухачі повинні звернути увагу на те, що матеріали та вироби на основі магнезіальних в’яжучих речовин виготовляють, змішуючи, формуючи та висушуючи суміш каустичного магнезиту чи доломіту, заповнювача та розчину хлориду чи сульфату магнію. Як органічні заповнюючи використовують відходи деревини: стружку, тирсу чи деревну вовну. При твердінні магнезіальних в’яжучих речовин утворюється оксихлорид магнію, який забезпечує збереженість органічних заповнювачів у готових виробах під час їх експлуатації. Найпоширенішими матеріалами цієї групи є фіброліт та ксилоліт.

Слід пам’ятати те, що безазбестовий кольоровий покрівельний лист виготовляють за технологічною схемою, яка включає приготування тістоподібної суміші з каустичного доломіту, бішофіту та добавок для надання покрівельному матеріалу водо- і морозостійкості. Цю суміш укладають разом з двома шарами скло сітки на полімерну плівку, що безперервно рухається, з одночасним нанесенням на неї шару барвника. Плоску заготовку відрізують від безперервної стрічки і скидають на профільований піддон. Де вона набуває форми хвильового листа. Заготовку витримують на піддоні 8-12 год., знімають з нього та транспортують на склад.

Покрівельний лист може мати будь-який колір і за своїми властивостями та показниками, добре піддається розпилюванню. За основними фізико-механічними показниками, безазбестовий покрівельний лист переважає азбестоцементні листи, а водопоглинання його вдвічі менше.

Облицювальні плити (штучний мармур) виготовляють змішуючи каустичний доломіт, бішофіт, деревну тирсу, пігменти та добавки, що підвищують водо- та морозостійкість. Суміш укладають у форми, віброущільнюють, сушать при температурі 40- 50 С, вивільнюють із форм через 10-12 годин.

Найчастіше рідинне скло використовують для виготовлення теплоізоляційних, жаро- і кислотостійких матеріалів та виробів широкої номенклатури.

Водорозчинні силікати лужних матеріалів використовують для приготування та виготовлення клеїв та адгезивів. Для підсилення клеючих властивостей розчинного скла його модифікують добавками цукру, фосфатів, боратів, ізоціанітів. На такій підставі виготовляють також клеї для склеювання деревини та відходів її переробки. Алюмосилікатні зв’язуючи речовини, отримані на основі рідинного скла використовують для склеювання різних матеріалів, в тому числі деревини, ДВП, ДСП, фанери, шпону, арболіту.

Слід пам’ятати, що усі в’яжучі речовини поділяють на повітряні та гідравлічні в’яжучі. Повітряні в’яжучі речовини можуть тверднути та набирати міцності у повітряно-сухих умовах. До них належать гіпсоангідритові в’яжучі речовини, повітряне вапно та його різновиди, магнезіальні в’яжучі речовини та розчинне скло.

Гідравлічні в’яжучі речовинитверднуть та зберігають (або підвищують) міцність після тужавіння в повітряно-сухих умовах та наступного витримування у воді. До них належать гідравлічне вапно, романцемент; портландцемент та його різновиди, пуцолановий цемент, шлакопортландцемент, композиційний цемент; лужні в’яжучі системи, в тому числі шлаколужні, лужні алюмосилікатні в’яжучі (грунтоцементи); глиноземистий, високоглиноземистий та розширні цементи.

Слухачі повинні акцентувати свою увагу на тому, що деревина як будівельний матеріал застосовується з давніх часів, але не втратила свого значення й досі, оскільки має безсумнівні достоїнства. їй притаманні:

- висока міцність при малій об’ємній щільності;

- мала теплопровідність;

- висока морозостійкість;

- легкість обробки;

- довговічність.

Але разом з позитивними властивостями деревина має і недоліки, що слід враховувати при її використанні, це:

- неоднорідність будівлі (анізотропність) і наявність пороків;

- гігроскопічність, що призводить до зміни розмірів виробів, короблення, розтрощення;

- здатність до загнивання;

- здатність до займання.

Властивості деревини, достоїнства і недоліки обумовлені її структурою. На зрізі стовбура дерева неозброєним оком або через лупу розрізняються такі його частини: кора, камбій, деревина.

Кора - захисний одяг дерева, що складається з корки та лубу.

Корка - зовнішній шар – захищає деревину від зовнішніх впливів.

Луб - внутрішній шар - служить для переміщення поживних речовин вздовж стовбуру і гілок та їхнього накопичення.

Під луб’яним шаром у дерева, що росте, розташовується тонкий шар живих клітин - камбій, який виробляє клітки лубу і клітки деревини.

Деревина - це звільнена від кори тканина волокон, яка міститься у стовбурі дерева.

Слід звернути увагу на те, що сучасні будівельні деревні матеріали виготовляють з використанням біотехнологій, заснованих на досягненнях біохімії, мікробіології та інженерних наук.

Зв’язуючим матеріалом у біокомпозитах є природні ключі речовини, що видаляються мікроорганізмами з деревини або іншої рослинної сировини. Необхідно пам’ятати, що основними компонентами деревини є полімери: целюлоза, геміцелюлоза, лігнін. Де лігнін виконує функцію клею (матриці), а целюлоза армуючої речовини.

При виготовленні біокомпозитів подрібнена деревина під дією тиску та температури, здатна до утворення монолітного матеріалу. Для прискорення цього процесу використовують дереворуйнівні гриби – ксилотрофи, які беруть участь у процесах ферментації і сприяють процесу руйнування лігніну.

Технологічний процес виготовлення біокомпозитів передбачає:

1. Підготовку деревини (подрібнення);

2. Ферментацію її ксилотрофами;

3. Сушіння та дозування отриманої маси;

4. Формування її у пакети;

5. Холодне та гаряче пресування (отримання готових плит);

6. Заключна обробка.

Поняття:

Гірські породи — це природні мінеральні утворення, які сформувались внаслідок геологічних процесів у земній корі, відрізняються ступенем щільності, складаються з одного або кількох мінералів, характеризуються відносно сталим міне­ралогічним складом, певними будовою та властивостями і мають досить великі площі залягання.

Природні мінерали — це новоутворення, що відрізняються постійним хімічним складом, структурою й властивостями та беруть участь у формуванні гірських порід.

Магма -це вогняно-рідкий складний (зазвичай силікатний) розплав, який виникає в надрах Землі при порушенні термодинамічної рівноваги у літосфері.

Портландцемент - гідравлічна в’яжуча речовина, яку виготовляють спіль­ним тонким подрібненням клінкеру з гіпсом або іншими добавками.

Залізобетон - композиційний будівельний матеріал, властивості якого обу­мовлені спільною роботою матриці, що представлена бетоном, та армуючим ком­понентом у вигляді сталевої арматури.

Автоклав - це спеціальне герметично закрите обладнання, яке дозволяє створювати специфічні умови твердіння матеріалів в середовищі насиченої пари при різних значеннях температури та тиску.

Гіпсокартонні листи («суха штукатурка») - листовий оздоблювальний матеріал, що складається з тонкого шару затверділої гіпсової в’яжучої речовини, вкритої з обох сторін картоном і міцно з’єднаної з ним.

Фіброліт – це матеріал, який виготовлено з деревної вовни чи стружки, зв’язаної мінеральними в’яжучими композиціями

Ксилоліт – це матеріал, який одержують внаслідок твердіння суміші тирси, магнезіальної в’яжучої речовини та розчину хлориду натрію.

Совеліт – це теплоізоляційний матеріал на основі каустичного доломіту та азбесту. Доломіт гасять гарячою і розводять холодною водою,

Піно- та газомагнезити – високоефективні матеріали, які отримують на основі магнезіальних в’яжучих речовин.

Силікатні фарби – це суспензія наповнювачів, отверджувачів і пігментів у водних розчинах водорозчинних силікатів у вигляді рідинного скла. Ефективність застосування рідинного скла обумовлена недефіцитністю.

Деревина - це звільнена від кори тканина волокон, яка міститься у стовбурі дерева.

Серцевина - частина дерева, яка складається з клітин з тонкими стінками, слабко зв’язаними одна з одною.

Фанера - дуже розповсюджений матеріал, який одержують глибокою переробкою деревини.

Вогнезахисні фарби - суміш зв’язуючого пігменту і наповнювача - служать як для вогнезахисту, так і з декоративною метою.

Вогнезахисні обмазки - штукатурні розчини, в яких пісок замінений легким наповнювачем (азбест, перліт, вермикуліт), дешеві і доступні за сировиною.

В результаті вивчення теми слухачі повинні

Знати:

· особливості утворення, класифікацію, будову та властивості гірських порід різного походження;

· характеристику виробів та матеріалів з природного каменю;

· будову Землі;

· методи обробки кам’яних матеріалів;

· проблеми довговічності кам’яних матеріалів та способи захисту кам’яних матеріалів;

· класифікацію облицювального каменю за довговічністю;

· основні технічні характеристики природних кам’яних матеріалів;

· матеріали та вироби на основі магнезіальних в’яжучих речовин;

· основні характеристики фіброліту, ксилоліту, совеліту, піно- та газомагнезіту;

· властивості матеріалів та виробів на основі розчинного скла (шлаколужні цементи та бетони,теплоізоляційні матеріали, силікатні фарби);

· особливості утворення, класифікацію, будову та властивості деревних порід різного походження;

· характеристику виробів та матеріалів з дерева;

· основні поняття, визначення та терміни «твердість», «вологість», «крихкість», «твердіння», «морозостійкість», «атмосферостійкість», «ударостійкість», «обпилюваність», «полірування», «пластичність»;

Вміти:

· застосовувати природні кам’яні матеріали та гірські породи в залежності від властивостей та складу;

· визначати технічні характеристики кам’яних матеріалів;

· застосовувати засоби захисту кам’яних матеріалів;

· встановлювати доцільність методів обробки кам’яних матеріалів;

· використовувати матеріали та вироби на основі магнезіальних в’яжучих речовин та розчинного скла, в залежності від їх властивостей та складу;

· визначати властивості матеріалів та їх поведінку під дією різного роду навантажень;

· використовувати набуті знання на практиці.

Рекомендована література 3, 5, 12, 13,17.