Материалы

Материалы

Физико-механические и химические свойства строительных материалов.

Строительные материалы обладают рядом физико-механических и химических свойств, которыми определяется степень их пригодности для сооружения того или иного устройства. Из различных свойств ниже описаны: плотность, объемная масса, пористость, водопоглощение, прочность, пластичность, огнестойкость, огнеупорность, растворимость, антикоррозионность.

Плотность материала. В физике различают понятия плотности и объемной массы. Единица измерения обеих величин одинакова — кг/м³ (или г/см³). Под плотностью материала понимают массу его скелета, отнесенную к занимаемому объему (без учета пустот, пор и т. п.). Поскольку плотность воды составляет 1 г/см³, то плотность других веществ принято выражать отвлеченными величинами сравнительно с плотностью воды. Объемной массой называют массу материала, отнесенную к занимаемому объему в естественном состоянии материала, т. е. с учетом пустот, пор и т. п. Для таких материалов, как металлы, стекло, смолы и другие объемная масса равна плотности, так как она выражена в тех же единицах.

Для строительный материалов величины плотности и объемной массы не совпадают. Например, плотность гранитного щебня равна 3300 кг/м³, а объемная масса — 1800—1900 кг/м³. Таким образом, объемная масса — величина переменная для многих материалов. Например, объемные массы свежевзрыхленного и слежавшегося песка будут разными. Изменяется объемная масса и с изменением влажности материалов. Во избежание путаницы, принято определять объемную массу любого материала в воздушно-сухом состоянии. Ниже приведены объемные массы некоторых строительных материалов, кг/м³:

Пористость материала определяет степень заполнения его объема порами, пустотами и дополняет плотность до единицы. Например, пористость кирпича будет 1—0,68 = 0,32, стали 1—1 = 0 и т. д. Плотность и пористость материалов влияют на прочность, водопоглощение, водонепроницаемость, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства. Водопоглощение характеризует способность материала впитывать в себя и удерживать воду. Водопоглощение выражается в процентах, определяющих разность веса материала, предельно насыщенного водой, и этого же образца материала в абсолютно сухом состоянии. Водопоглощение обыкновенного глиняного кирпича в зависимости от степени обжига колеблется от 8 до 20 %. Насыщенные водой материалы теряют прочность. Объемная масса и теплопроводность таких материалов возрастают.

Отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала называется коэффициентом размягчения материала. Для стали, битума, например, этот коэффициент равен 1, т. е. эти материалы являются абсолютно водостойкими. Для кирпича-сырца, а равно для глинопесчаного раствора коэффициент размягчения равен 0, т. е. в воде эти материалы распадаются. В силу этой причины кирпич-сырец и глиняной раствор нельзя применять при кладке фундаментов в водонасыщенных грунтах и дымовых труб над крышей.

Прочность определяет способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок, температурных колебаний и других факторов. В печных устройствах внешние воздействия, которым подвержены материалы, вызывают сжатие, изгиб, срез, смятие. Каждый материал обладает пределом прочности, превышение которого вызывает разрушение предмета. Пластичность определяет способность материала изменять свою форму без признаков разрушения под действием нагрузки и полностью сохранять измененную форму после снятия нагрузки. Это свойство имеет большое значение для растворов. Огнестойкость определяется степенью возгораемости материала и характеризует его способность выдерживать без разрушения воздействия высоких температур и воды в условиях пожара. По степени возгораемости строительные материалы подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы при воздействии огня не воспламеняются, не тлеют, не обугливаются, но могут деформироваться. Сталь, например, деформируется в значительной степени, а гранит, мрамор, силикатный кирпич полностью разрушаются. Трудносгораемые материалы под воздействием огня воспламеняются с трудом, тлеют. После удаления источника огня тление прекращается. Образцами такого материала может быть строительный войлок, используемый в качестве тепло- и огнеизоляционного материала в печных устройствах. При тлении войлок издает характерный сильный запах, сигнализируя тем самым о возникновении очага пожара. Сгораемые материалы под воздействием огня воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня.

Огнеупорность определяет способность материала противостоять, не разрушаясь и не размягчаясь, воздействию высоких температур в течение длительного времени. По степени огнеупорности материалы подразделяют на три группы: огнеупорные, выдерживающие действие температуры от 1580°и выше (шамот, динас и др.); тугоплавкие, выдерживающие действие от температуры от 1350 до 1580 °С (гжельский кирпич); легкоплавкие, размягчающиеся при температуре ниже 1350°С (обыкновенный кирпич). Растворимость — способность материала растворяться в различных жидкостях. Антикоррозионность — способность материала самостоятельно или в смеси со связующими веществами предохранять конструкции от разрушения коррозией. Антикоррозионными материалами для металлических футляров печей являются графит и печной лак.

Сведения о кирпиче

Печи сооружают из различных строительных материалов. Есть печи с дымоходами из металлических труб, которые заключены в стальной кожух с песчаной засыпкой. Существуют сборные печи из бетонных и керамических блоков. Однако самыми распространенными являются кирпичные печи. Для кладки печей используют обыкновенный (глиняный) красный кирпич нормального обжига, не имеющий трещин и отколов, по своим размерам соответствующий ГОСТу: длина 25 см, ширина 12 см, высота 6,5 см, иными словами — красный кирпич 1-го сорта. На практике редко бывает так, что весь кирпич, приобретенный для кладки печи, соответствует 1-му сорту. Будет в том числе кирпич с обломанными углами, трещиноватый, пережженный, недожженный и даже разный по размерам. Поэтому кирпич нужно рассортировать. Некоторые части печей выкладывают из тугоплавкого или огнеупорного кирпича. Но его не всегда можно приобрести. В таких случаях огнеупорный (тугоплавкий) кирпич заменяют тщательно отобранным обыкновенным кирпичом.

Кирпич нормального обжига имееет розовый цвет, при ударе по нему молотком издает чистый звук. Глухой дребезжающий звук свидетельствует о наличии трещин. Пережженный кирпич (железняк) отличается фиолетовым оттенком и большой прочностью. Он плохо поддается обработке, имеет незначительное водопоглощение, плохо связывается глиняным раствором. Употребляется для кладки фундаментов и оснований. Недожженный кирпич обладает меньшей прочностью и водостойкостью, чем нормальный. Не пригоден для кладки дымовых труб над крышей.

Дырчатый, щелевой, а также силикатный кирпич для кладки печей не применяют. Кирпич, бывший в употреблении, тщательно очищают от раствора и сажи. Класть его следует задымленной стороной внутрь кладки, так как следы сажи выступают в виде ржавых пятен через штукатурку и побелку. Весь кирпич, за исключением огнеупорного, перед употреблением в дело необходимо погрузить р воду на 1—1,5 мин. Сухой кирпич при соприкосновении с раствором быстро обезвоживает его, отчего снижается вяжущая способность раствора.

При сочетании в кладке обыкновенного огнеупорного или тугоплавкого кирпича необходимо учитывать разницу в размерах этих кирпичей. Промышленность выпускает огнеупорный кирпич размерами: 25X12,3X6,5; 23,3x11,3x6,5; 25x15x6,5 см; тугоплавкий кирпич бывает размерами: 23,5x12,3x6,5; 23x11,3x6,5 см. Сборно-блочные печи сооружают из готовых бетонных или керамических блоков, изготовленных на заводах.

Растворы

Различают растворы для кладки и штукатурки. Назначение растворов для кладки — соединить в одно целое конструкцию из кирпича, камня или других материалов. Штукатурные растворы предназначены для создания гладкой и прочной поверхности конструкции. Растворы представляют собой смесь вяжущих веществ, заполнителей и воды. Вяжущие вещества подразделяют на минеральные, органические и синтетические. Для печных работ применяют только минеральные вяжущие — глину, цемент, известь и гипс (последний исключительно для оштукатуривания).

Глина является осадочной породой и состоит из частиц размером менее 0,005 мм. В чистом виде глина встречается редко. То, что мы обычно называем глиной, состоит из смеси глины и песка, В так называемой жирной глине песка содержится до 2 %, в тощей до 30 %. Замешанная с водой глина образует твердое тесто или глиняное молоко в зависимости от количества воды. При этом глина разбухает, увеличивается в объеме. При высыхании глиняное тесто уменьшается в объеме, растрескивается. Линейное уменьшение глины при высыхании 5—12 %. Глину применяют в чисто глиняных растворах и смешанных глиняно-цементных или глиняно-известковых.

Цемент. Существует несколько разновидностей цемента, отличающихся между собой составом и способом производства. Наиболее распространенными являются портландцемент и глиноземистый цемент. Портландцемент представляет собой порошок зеленовато-серого цвета. Исходными продуктами для его получения являются известняк (мел) и глина. Составляющие обжигают во вращающихся печах при температуре 1400—1500 °С. Полученный таким образом цементный клинкер размалывают на специальных мельницах. При размоле добавляют активные и инертные добавки (шлаки, кварцевый песок, гипс и т. п.). Затворенный водой цемент в течение некоторого времени преобразуется в монолитное твердое тело большой прочности. Показателем прочности является марка цемента, которая определяет прочность цементного раствора состава 1 ч. цемента + 3 ч. песка (по весу), достигнутая на 28-й день схватывания. Портландцемент выпускают марок 400, 500, 600 и 700.

Глиноземистый цемент получают из глинозема (бокситов) и извести, сплавленных в электропечах при температуре 1400 °С. Сплавленную массу дробят на куски, а затем измельчают в порошок на трубных мельницах. Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600. Марочную прочность он набирает через 3 сут. Глиноземистый цемент, примененный в растворах и бетонах, повышает их стойкость по отношению к воде. Промышленность выпускает также белый и цветной портланд-цементы, пуццолановый цемент и др.

Известь получается в результате обжига природного известняка, мела, доломита, ракушечника, содержащих в большом количестве углекислый кальций СаСO₃. При этом количество глинистых примесей не должно превышать 8%. Чаще всего обжиг производят в шахтных печах при температуре до 1200 С. Обожженный известняк и есть так называемая известь-кипелка. Чтобы получить известь, пригодную для составления растворов, ее гасят водой. В зависимости от пористости кусков и температуры обжига гашение извести происходит с разной скоростью, поэтому известь подразделяют на быстрогасящуюся и медленногасящуюся. Гашеная известь также бывает двух видов — известь-пушонка и известковое тесто¹.

Известь-пушонку получают тогда, когда для гашения взято воды столько, сколько требуется для химической реакции² с учетом воды, которая испарится в ходе гашения. Известь-пушонку используют главным образом в штукатурных растворах.

¹Для приготовления зимних и некоторых других растворов иногда используют молотую негашеную известь, которая отличается от пушонки грязновато-серым цветом. ²При обжиге известняка углекислый кальций распадается на окись кальция СаО и углекислый газ С0₂. При гашении водой окись кальция соединяется с водой и образуется гидрат окиси кальция Са(ОН)₂.

Для получения известкового теста нужно взять воду в количестве, превышающем объем извести-кипелки в 3—4 раза. Выход теста из хорошо обожженного известняка (с малым содержанием неразложившихся при обжиге частиц) составляет 3 л на 1 кг комовой извести. При потребности извести в больших количествах ее гасят в специальных аппаратах — известегасилках. В небольших объемах известь гасят вручную. Делают это так: комовую известь складывают в творильный ящик, заливают водой и перемешивают мешалкой. Загасившаяся известь стекает в яму для известкового теста через отверстие с сеткой в стенке творильного ящика. Чтобы ускорить начало гашения, употребляют для первой заливки горячую воду. При гашении быстрогасящейся извести нельзя допускать, чтобы в творильном ящике оказалось недостаточно воды, так как при этом происходит перегорание извести и в дальнейшем, даже при избытке воды, гашение протекает плохо и выход известкового теста будет значительно меньшим.

Гашение извести происходит с выделением большого количества тепла, и брызги могут вызвать ожоги на незащищенной коже. Пыль негашеной извести разъедает слизистую оболочку, дыхательные пути и открытую кожу. Поэтому рабочие, занятые гашением извести, должны строго соблюдать правила техники безопасности, указанные в статье «Техника безопасности при печных работах». Твердение извести происходит медленно и зависит от количества влаги в известковом тесте. Образуемые при этом кристаллы соединяются в прочное твердое тело. На поверхности затвердевшейизвести происходит восстановительный процесс, т. е. превращение гашеной извести в негашеную. Это способствует твердению известковых растворов и делает их более прочными.

Гипс. Строительный гипс (алебастр) получают путем обжига природного гипсового камня в различных печах при температуре 150—170 °С. Измолотый обожженный гипс представляет собой порошок беловато-серого цвета. Замешанный с водой гипс быстро твердеет. Схватывание начинается через 4 мин и длится от 6 до 30 мин. Быстрота схватывания создает неудобство при употреблении гипса, поэтому в гипсовый раствор добавляют замедлители схватывания гипса (например, 1—1,5%-ный раствор животного клея). Применение горячей воды также отдаляет начало схватывания гипса на 15—20 мин. При оштукатуривании печей гипсовый раствор наносят на горячую поверхность. Заполнителем для растворов, применяемых в печных работах, служит песок, который является продуктом разрушения горных пород. По крупности зерен пески подразделяются на крупнозернистые с крупностью зерен 0,15—5 мм, пылевидные — с зернами размером 0,14—0,005 мм и глинистые — с зернами меньше 0,005 мм. По месту нахождения в природе пески бывают: горные (овражные), речные и морские, дюнные и барханные. Зерна горных песков имеют угловатую форму и шероховатую поверхность. Это улучшает их способность сцепляться с вяжущими веществами и делает их наиболее пригодными для использования в растворах. Зерна морских и речных песков имеют округлую форму, поэтому они менее пригодны для приготовления растворов. Дюнные и барханные пески, состоящие из очень мелких зерен, в чистом виде для приготовления растворов не пригодны. В раствор для кладки печей берут песок, просеянный через сито с ячейками 1—1,5 мм.

Вода. Растворы для кладки и штукатурки печей готовят на чистой воде,, не содержащей взмученного ила, не имеющей затхлого запаха и растворенных солей в больших количествах. Употребление воды, насыщеннной различными солями, приводит к появлению на поверхности печи высолов в виде грязных пятен, которые выступают даже через многократную побелку. Дождевая вода пригодна для составления раствора. Есть несколько способов приготовления раствора для кладки печей. При небольшом объеме работ в одном месте (одна-две печи) хороший раствор можно получить так: в замоченную за сутки до начала кладки глину доливают воду в таком количестве, чтобы после перемешивания образовалась жидкость густоты сливок. При этом камни осядут на дно, а органические примеси всплывут на поверхность. Затем взмученную глину процеживают через сито во второй ящик до заполнения половины его емкости. После этого добавляют песок, заблаговременно просеянный через сито с ячейками 1,5 мм. Если после тщательного перемешивания на поверхности появятся озерки жидкой глины, нужно добавить песок.

Правильно приготовленный раствор имеет шероховатую поверхность, но стоит похлопать по ней тыльной стороной мастерка, как появится «зеркало», образуемое тонкой пленкой жидкой глины. Такой раствор не налипает на лопату, его излишки выдавливаются из шва кладки при нажатии рукой на сверху лежащий кирпич. Для приготовления глиняного раствора в больших количествах, по способу печника-новатора Корнеева, берут три ящика, которые располагают ступенями с таким расчетом, чтобы жидкость могла переливаться самотеком из одного в другой, а затем в третий. Глину замачивают водой с избытком и размешивают деревянными лопатами-мешалками в первом верхнем ящике. Затем открывают заслонку, и взмученная глина стекает на сетку, которой накрыт средний ящик. Комья глины, оставшиеся на сетке, перебрасывают обратно, в первый ящик. Туда же отчерпывают излишки воды из среднего ящика после отстоя глины. Осевшую на дно глину спускают в третий ящик, открыв заслонку. В третьем ящике замешивают раствор, добавляя необходимое количество заранее просеянного песка. Соотношение глины и песка в растворе: при жирной глине 1:2, при тощей 1:1.

Если в глине нет камней и крупнозернистого песка, а также органических примесей, раствор можно приготовить, не прибегая к предварительному процеживанию глины. В этом случае в глину досыпают в нужном количестве песок (такая глина обычно бывает жирной, поэтому берут 2 ч. песка на 1 ч. глины) и доливают воду в количестве, равном объема глины. Перемешивание при этом способе отнимает больше времени, чем при указанных выше способах. При кладке частей печи, выполняемых из огнеупорного кирпича, раствор готовят из огнеупорной или тугоплавкой глины. В огнеупорную длину добавляют шамот в соотношении 1 : 1, в тугоплавкую глину — горный песок крупностью 1—1,5 мм в таком же соотношении. Глиняный раствор разрушается под воздействием влаги и не пригоден для кладки фундаментов и дымовых труб над крышей. Эти части печи выполняют на известковом, цементном или смешанном известково-цементном растворе.

Известковый раствор для кладки состоит из смеси гашеной извести с песком в соотношении от 1 :2 до 1:3, затворенной водой. В небольших количествах раствор готовят так: в ящике разводят водой известковое тесто до густоты сливок, потом небольшими порциями сыплют просеянный песок и тщательно перемешивают до получения однородной массы рабочей густоты³.

³ Под рабочей подразумевается такая густота, когда раствор не стекает с лопаты и вместе с тем настолько подвижен, что без большого напряжения выжимается из шва кладки.

Цементный раствор в зависимости от марки цемента может иметь соотношение от 1:3 до 1:9 (цемент и песок берут по весу). Готовят его в следующем порядке: в ящик с песком сыплют цемент и тщательно перемешивают (гарцуют) сухую смесь. Перед употреблением в дело смесь размешивают с водой до рабочей густоты. Цементный раствор быстро схватывается и поэтому его нельзя хранить длительное время. Более экономичными и удобными в работе по сравнению с цементными являются смешанные цементно-известковые и цементноглиняные растворы. Смешанные растворы для кладки фундаментов применяют состава (цемент : известь : песок) 1:2:16, 1:1:9; 1:1:6 и др. в зависимости от марки цемента и жирности извести. Приготовление смешанных растворов сводится к перемешиванию с известковым молоком сгарцованной сухой смеси цемента и песка. Эти растворы также относятся к быстросхватывающимся. Растворы для оштукатуривания наружных поверхностей печей бывают глиняные, глиняно-цементные, глиняно-известковые, известково-гипсовые и др. Вот рецепты некоторых растворов: 1 ч. гип-са+2 ч. извести+1 ч. песка; 1 ч глины+1 ч. извести + 2-4 ч. песка; 1 ч глины+2-3 ч. песка; 1 ч. глины+ 0,5 ч. цемента+ 4-6 ч. песка'. Способы приготовления штукатурных растворов такие &е, как и раствор для кладки. Исключение составляют растворы с гипсом, которые готовят в небольших количествах (на 15—20 мин работы) и сразу же употребляют в дело. При наличии асбеста его добавляют в штукатурные растворы в количестве 0,1—0,2 ч.

Бетонные смеси. Для сооружения фундаментов под печи иногда применяют бетон с добавлением до 40 % бутового камня. Такие фундаменты обладают повышенной стойкостью в отношении грунтовых вод. Бетон представляет собой затвердевшую смесь, которую составляют из цемента, тяжелых заполнителей (гравий, щебень, речная галька, каменная крошка, песок) и воды. Для изготовления бетонных блоков сборно-блочных печей в качестве заполнителя берут щебень из обыкновенного или огнеупорного кирпича. Бетонную смесь вручную приготовляют в ящике; сначала гарцуют сухую смесь цемента с заполнителями с последующим перемешиванием с водой.

Печные приборы и другие материалы.

По ходу работы в кладку заделывают печные приборы: дверки различных назначений и размеров, колосники или колосниковые решетки, вьюшки и вьюшечные задвижки, кухонные плоты с конфорками и без них. В отопительно-варочные печи встраивают духовые шкафы и водогрейные коробки. Для бытовых печей в качестве топочных используют дверки размерами 280x270 мм и 250x210 мм, занимающие по высоте соответственно 4 и 3 ряда кладки. Полудверки размером 270x140 мм применяют как поддувальные и вьюшечные. В некоторых печах полудверку используют в качестве топочной. По высоте она занимает 2 ряда кладки.

Дверки размером 140x140 мм применяют как поддувальные и прочистные. Дверки размером 140x70 мм используют как прочистные. Все дверки должны надежно и плотно закрываться. Их перед установкой нужно очистить от ржавчины и разработать поворотные запоры. Вьюшечные задвижки состоят из рамки и движка. На одной из сторон рамки бортик, образующий паз, в задних углах сколот. Это сделано для свободного выпадения сажи из паза. Сторона со сколотым бортиком — нижняя. До укладки на место вьюшечной задвижки следует убедиться, заходит ли движок в рамку до отказа. Швы духовых шкафов не должны иметь сквозных щелей, а швы водогрейных коробок проверяют на отсутствие течи в горячем состоянии, для чего в водогрейную коробку перед установкой ее на место заливают горячую воду.

Все печные приборы должны соответствовать размерам, указанным на чертежах. При кладке печей также используют: сталь полосовую — для перекрытия шестка в русских печах и для монтажа других перекрытий; сталь угловую — для обрамления кухонных плит и изготовления каркасов некоторых печей; сталь листовую — для футляров окожухованных печей и предтопочных листов; асбест, войлок — для предохранения от возгорания деревянных элементов здания; проволоку сечением 2 мм — для крепления дверок и сечением 5—6 мм — для изготовления связей; изразцы — для наружной отделки печей и другие материалы.