книги / Строительные материалы

до спекания. Поверхность труб снаружи и внутри покры­ вают кислотостойкой глазурью. Канализационные трубы должны выдерживать гидростатическое давление не ме­ нее 0,2 МПа. Водопоглощение черепка труб: не более 9% для I сорта и 11 % для II сорта. Длина канализа­ ционных труб 800—1200 мм, внутренний диаметр 150— 600 мм. Эти трубы на одном конце имеют раструб. Ка­ нализационные трубы применяют для отвода сточных и щелочных вод.

3. Санитарно-технические изделия

Ванны, раковины и другое оборудование санитарно­ технических узлов жилых и производственных помеще­ ний изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора. Сырьем для производства этих трех разновидностей ке­ рамических материалов, обладающих различной порис­

Из фаянса преимущественно методом литья изготов­ ляют унитазы, умывальники, смывные бачки и др. Для производства крупных изделий (ванн, моек и пр.) ис­ пользуют шамотный фаянс, в который вместо' кварца вводят шамот (10—15%). Водопоглощение фаянса 10— 12 %, предел прочности при сжатии обычно до 100 МПа. Поверхность фаянсовых изделий покрывают глазурью, что придает им водонепроницаемость.

По сравнению с фаянсом полуфарфор имеет более

из него тонкостенные изделия.

Т А Б Л И Ц А 3.2. ПРИМЕРНЫЙ СОСТАВ ИСХОДНОЙ МАССЫ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ (%)

4.Кислотоупорные керамические изделия

Ккислотоупорным керамическим изделиям относят:

1)кислотоупорный кирпич марок 150—250 кислотостойкостью не менее 92—96 %, водопоглощением не более

8—12 %, термостойкостью не менее двух теплосмен; 2) плитки кислотоупорные и термокислотоупорные марки 300 кислотостойкостью 96—98 %, водопоглощением не более 6—9%, теплостойкостью не менее двух—восьми теплосмен; 3) трубы и фасонные части к ним марок 300—400 кислотостойкостью не ниже 97—98%, водо­ поглощением не более 3—5 %.

Кислотоупорные изделия изготовляют из глин, не со­ держащих примесей, понижающих химическую стой­ кость (карбонаты, гипс, серый колчедан и т. п.) и спе­ кающихся при температуре около 1200 °С.

Кислотостойкость изделий характеризует их нераст­ воримость .в кислотах (за исключеним HF) и щелочах. Кислотоупорные кирпич и плитки служат для футеровки башен и резервуаров на химических заводах, а также печей для обжига серного колчедана, для устройства по­ лов и в цехах с агрессивными средами и т. п. Керамичес­ кие кислотоупорные трубы применяют для перекачки неорганических и органических кислот и газов при раз­ режении или давлении до 0,3 МПа.

5. Дорожный кирпич

Дорожный (клинкерный) кирпич вырабатывают из тугоплавких глин, обжигая их до спекания. Дорожный кирпич имеет размер 220X110X65 или 220X110Х7о мм, марки 400, 600 и 1000, водопоглощение 2—6%, морозо­ стойкость 50—100циклов попеременного замораживания и оттаивания. Этот кирпич можно применять для моще­ ния дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационных коллекторов.

6. Огнеупорные изделия

Огнеупорными называют изделия, применяемые для строительства промышленных печей, топок и аппаратов, работающих при высокой температуре. Огнеупорные из­ делия классифицируют по огнеупорности, пористости, химико-минеральному составу и способу изготовления.

По огнеупорности изделия могут быть огнеупорными (1580— 1770 °С), высокоогнеупорными (1700—2000 °С),

высшей огнеупорности (более 2000 °С).

В зависимости от пористости (%) огнеупорные изде­ лия подразделяются на: особо плотные — пористость ме­ нее 3, высокоплотные— пористость 3—10, плотные— по­ ристость 0—20, обычные— пористость 20—30, легковес­ ные и теплоизоляционные— пористость 45—85. Наиболь­ шее распространение в строительстве и промышлен­ ности строительных материалов получили кремнеземис­ тые и алюмосиликатные огнеупорные изделия.

Кремнеземистые огнеупоры применяют двух типов: кварцевое стекло и динасовые.

Кварцевое стекло изготовляют отливкой из расплав­ ленного кварца, оно содержит Si02 не менее 99%. Об­ ладает хорошей термостойкостью и кислотостойкостью; при 1100°С расстекловывается и крошится. Кварцевая керамика используется для футеровки котлов большой мощности, при изготовлении штампов горячего прессо­ вания, труб для подачи расплавленного алюминия и дру­ гих целей. Кварцевое стекло идет на производство хи­ мической аппаратуры.

Динасовые (тридимито-кристобалитовые) огнеупоры изготовляют обжигом при температуре выше 870 °С кварцевого сырья (измельченных кварцитов песка, мар-

стекловаренных и коксовых печей.

Алюмосиликатные огнеупоры подразделяют на три группы: полукислые, шамотные и высокоглиноземистые.

Полукислые огнеупоры отличаются повышенным со­ держанием кремнезема — болеее 65%; глинозема со­ держат менее 28 %. Изготовляют их обжигом кварцевых пород на глинистой или каолиновой связке или глин и каолинов с большим содержанием кварцевого песка. Их огнеупорность 1380—1400 °С. Применяют для футеровки шахтных и туннельных печей, вагранок и т. д.

Шамотные огнеупоры изготовляют обжигом смеси шамота (порошка обожженной и размолотой огнеупор­ ной глины) и огнеупорной глины или каолинов. Они со­ держат 30—45 % А120 з и отличаются термической стой­ костью, шлакоустойчивостью, прочностью (марки 100— 125). Огнеупорность шамотных материалов 1250—

1400°С. Применяют их для кладки и футеровки печей в местах, где они непосредственно соприкасаются с рас­ плавленным металлом, шлаком, стеклом, а также для футеровки вращающихся печей для обжига цементного клинкера, облицовки топок паровых котлов, дымоходов и пр.

Высокоглиноземистые огнеупоры получают из мате­ риалов (боксита, корунда), содержащих более 45% гли­ нозема. Огнеупорность их зависит от содержания глино­ зема и технологии и составляет 1450—1725°С. Изделия, изготовленные из высокоглиноземистого сырья на гли­ няной или иной связке, обладают высокой термостой­ костью при содержании А120з 60 %. Применяют их в сте­ кольной промышленности для кладки доменных печей и

др.

Легковесные огнеупоры имеют плотность 1,3—0,4 г/ /см3 и общую пористость соответственно 45—85 %. Об­ ладают высокой огнеупорностью, малой теплопровод­ ностью и достаточной прочностью — все эти качества по­ зволяют успешно применять их для футеровки промыш­ ленных печей разного назначения. При этом значитель­ но (в 2—4 раза) сокращается продолжительность разо­ грева или холостого хода печей, в 2—3 раза уменьшает­ ся толщина ограждающих стен и на 20—70 % снижают­ ся удельные расходы топлива на тепловые процессы. В связи с этим производство легковесных огнеупоров не­ прерывно расширяется.

Для высокотемпературной теплоизоляции различных промышленных печей и тепловых агрегатов используют

алюмосиликатные и другие волокна, обладающие высо­ кой прочностью, термической стойкостью и малой тепло­ проводностью.

ГЛАВА 4. СТЕКЛО, СИТАЛЛЫ

ИПЛАВЛЕНЫЕ КАМЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ

§1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Стеклоделие возникло очень давно. В Египте, Ме­ сопотамии умели изготовлять стекло за 3000—4000 лет до н.,э. В 1 в. до н. э. стеклоделие проникло из Египта в Италию, откуда распространилось по всей Римской

империи. В 13 в. Венеция, куда были насильственно пе-. реселены константинопольские стеклоделы, становится мировым центром стеклоделия и сохраняет свое значение до 16—17 вв. В России первый стекольный завод был по­ строен в 1635 г. (близ г. Воскресенска).

Основоположником научного стеклоделия в России является М. В. Ломоносов, построивший фабрику для изготовления цветных стекол (в 70 км от Петербурга), которая была одновременно научной лабораторией и опытным заводом.

В1812 г. в России уже было 156 стекольных заводов,

в1913 г. — 275. Однако уровень производства был низ­ кий, большинство предприятий были кустарными.

За годы Советской власти стекольная промышлен­ ность превратилась в крупную технически оснащенную отрасль промышленности. В 1918 г. был создан Научноисследовательский институт силикатов, в котором наука

остекле занимала видное место.

Впериод с 1926 по 1941 гг. в СССР вступили в строй крупные заводы стекольной индустрии. Начиная с 1950 г. стекольная промышленность быстро развивается и в на­ стоящее время СССР занимает первое место в мире по выпуску оконного стекла. Растет производство новых ма­

териалов и изделий: профильного стекла, стеклопакетов, стеклопанелей, стеклянных труб, стекловолокна, стекло­ пластиков, стекол с селективным пропусканием, безопас­ ных и др.

За последние 15—20 лет выделился новый тип стро­ ительных конструкций — конструкции светопрозрачных ограждений гражданских и промышленных зданий. Стек­ ло стало конструкционным строительным материалом наравне с металлом и железобетоном. Проектирование ц применение конструкций светопрозрачных ограждений, изготовляемых с использованием стекла и стеклоизделий, требуют дальнейшего изучения механических и физичес­ ких свойств стекла.

Классифицируют стекла и стеклоизделия по следую­ щим признакам: по химическому составу: оксидные (си­ ликатные, кварцевые, боратные, фосфатные и др.); бес­ кислородные (галогенидные, нитратные и др.); по на­ значению: строительные и архитектурно-строительные; технические (кварцевые, стекла в атомной технике, опти­ ческие, закаленные, многослойные, светотехническйе и др.); стекловолокно; тарное стекло.

Основным сырьем для изготовления стекла являются кварцевый песок, известняк, сода и сульфат натрия. Вы­ сококачественные стекольные белые пески содержат немного примесей, в частности оксида железа, придаю­ щего стеклу зеленоватую окраску. В стекольную шихту вводят соду, сульфат натрия, поташ, которые понижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. При варке смеси чистого песка Si02 и соды Na2C03 образуется полупрозрачная стеклообразная мас­ са Na2Si03, растворяющаяся в воде («растворимое стек­ ло»). Благодаря введению в шихту СаО в виде известня­ ка СаС03 или доломита стекло становится нераствори­ мым в воде.

Варка строительного силикатного стекла производит­ ся в стекловаренных печах при температуре до 1500 °С. В процессе стекловарения, начиная с температур 800— 900 °С протекает стадия силикатообразования. К концу следующей стадии стеклообразования (1150—1200 °С) масса становится прозрачной, но в ней еще содержится много газовых пузырей. Дегазация заканчивается при 1400—1500°С; к ее концу стекломасса освобождается от газовых включений, свилей и становится однородной. Для достижения необходимой для формования рабочей

оксиды Si02, А120 з, Zr02 повышают вязкость, Ыа20, СаО, 1л20, наоборот, понижают ее.

Переход от жидкого состояния в стеклообразное яв­ ляется обратимым. При длительном нахождении на воз­ духе и нагревании некоторых стекол обычная для них аморфная структура может переходить в кристалличес­ кую; это явление называют расстекловыванием («заруханием»).

В процессе изготовления в стекло вводят соединения, придающие ему специальные свойства. Глинозем А120 3, вводимый в шихту в виде каолина и полевого шпата, по­ вышает механическую прочность, а также термическую

и химическую стойкость стекла. При замене части диок­ сида кремния борным ангидридом В20 3 повышается ско­ рость стекловарения, улучшается осветление и уменьша­ ется склонность к кристаллизации. Оксид свинца РЬО, вводимый, главным образом, при изготовлении оптичес­ кого стекла и хрусталя, повышает показатель сб'етойреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость.

Вспомогательные сырьевые материалы делят по сво­ ему назначению на следующие группы: осветлители — вещества, способствующие удалению из стекломассы га­ зовых пузырей (сульфатнатрия,плавиковыйшйат); обёсцвечиватели — вещества, обесцвечивающие свекольную массу; глушители— вещества, делающие стекло непро­ зрачным.

В 20 в. были разработаны различные способы вытяги­ вания бесконечной ленты стекла. Толщина стекла регу­ лировалась путем изменения скорости вытягивания. При изготовлении витринных и зеркальных стекол тянутое и прокатное стекло подвергали шлифованию и полирова­ нию. Только в 1960 г. удалось изготовить стекло, которое полируется в процессе формования ленты стекла на плос­ кой поверхности расплавленного олова. Качество поверх­ ности такого стекла не уступает полированному.

§ 3. СТРУКТУРА и свойства стекла

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их хими­ ческого состава и температурной области затвердевания, обладающие в результате постепенного увеличения вяз­ кости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Это общее определение стекла, данное комиссией по терминологии при Академии наук

СССР, охватывает наиболее характерные свойства, при­ сущие любой стекловидной системе.

Для стекловидного состояния характерно наличие не­ больших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, из<> тропность свойств, отсутствие определенной температурй плавления.

Рис. 4.1. Схема структуры

Л — чистого кварцевого; б — натрийсиликатных стекол; / — Si; 2 — 0; 3 — Na

А. А. Лебедев, изучая процессы отжига и закалки стекла, впервые пришел к выводу о наличии в структуре стекла микрокристаллических образований — кристалли­ тов (рис. 4.1). Кристаллиты обладают во внутренней ча­ сти сравнительно нормальной кристаллической решеткой, состоящей из групп тетраэдров Si04, но по мере прибли­ жения к периферии их структура становится все менее упорядоченной, и прослойки между кристаллитами об­ ладают уже аморфным строением. Кристаллитная теория структуры стекла развита в работах советских ученых, показавших «микрогетерогенность» строения стекла. На ее основе создан новый класс стеклокристаллических материалов — ситаллов, обладающих лучшими свойства­ ми стекла и нехрупких материалов.

В силикатных стеклах катионы металла помещаются

вым по сравнению с кристаллическим и обладает избы­ точным запасом внутренней энергии, поэтому возможен самопроизвольный переход лишь из стеклообразного со­ стояния в кристаллическое, сопровождающийся выделе­ нием небольшого количества теплоты. Благодаря своей структуре стекло обладает рядом специфических свойств,

к которым относятся прозрачность, хрупкость, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, чувствитель­ ность к резким изменениям температуры. Этот материал непроницаем для воды и воздуха, обладает низкой элек­

шая в материал, лм-с. Светопропускание оконного стек­ ла 90—92 %, профильного 84—86 %, стеклоблоков 82— 85%.

Светопропускание зависит не только от вида стекла, но и от угла падения световых лучей. Поскольку стекло поглощает всего лишь около 2 % световых лучей, то ос­ новной причиной снижения светопропускания является отражение лучей.

Оконное стекло обладает хорошим пропусканием в инфракрасной области спектра и плохо пропускает ульт­ рафиолетовые лучи; органическое стекло имеет в этом отношении преимущество (рис. 4.2).

Плотность листового стекла составляет 2,5 г/см3, ар­ мированного до 2,6 г/см3.

Обладая значительной плотностью, стекло хорошо проводит звук. Окно считается самым слабым конструк­ тивным элементом стены здания в отношении воздейст­ вия внешней шумовой нагрузки. Усредненный коэффици­ ент звукоизоляции стеклопакетов зависит как от рассто­ яния между стеклами, так и от толщины стекла. Стремясь улучшить звукоизоляцию, используют стекла разной толщины, уделяя особое внимание качеству вы­ полнения швов.

Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4—0,82 Вт/(м-°С). Малой тепло­ проводностью обладают стекла, содержащие большое количество щелочных оксидов. Пеностекло, являющееся теплоизоляционным материалом, имеет теплопровод­ ность 0,045—0,058 Вт/(м-°С).

Теплоемкость стекол определяется их химическим со­ ставом. При комнатной температуре их теплоемкость составляет 0,63—1,05 кДж/(кг-°С).

На термическое расширение стекол также влияет хи­ мический состав. Наиболее низкий температурный коэф­

Рис. 4.2. Светопропускание стекол в ультрафиолетовой, видимой и инфракрас­ ной части спектра

/ — органическое стекло; 2 — окопное стекло (толщиной 2 мм); 3 — солнцеза

щитное стекло

15* Ю-6)0^ 1. Термостойкость стекла зависит от темпе­ ратурного коэффициента линейного расширения.

Вследствие малой теплопроводности при нагревании или охлаждении стекла может возникнуть большой тем­ пературный градиент Д/, обусловливающий большие рас­ тягивающие напряжения, которые приводят к растрески­ ванию стекла. Максимальное значение градиента, при котором возникающие напряжения еще не превышают предела прочности при статическом изгибе, характерп зует термостойкость материала и в первом приближении выражается формулой

Если для обычного стекла принять ои= 50 МПа, Е = = 70000 МПа, а= 9 -10 _6°С~1 и р,=0,22, то рассчитан ная по формуле термическая стойкость составит Д «120°С.