Исторический обзор развития производства строительных материалов

Исторический  обзор развития производства строительных материалов.

В России производство строительных материалов возникло в далеком прошлом. Уже в глубокой древности наши предки умели изготавливать глиняный кирпич, воздушную и гидравлическую из весть, широко использовали древесины и природный камень.  Виды строительных материалов и их технология изменялись в связи с развитием производительных сил и сменой производственных отношений в человеческом обществе. Простейшие материалы и примитивная технология заменялись более совершенными, ручное изготовление строительных материалов сменялось машинным. Расширялся и видоизменялся ассортимент строительных материалов. Но некоторые виды материалов (например, кирпич, известь, лес, стекло и др.) применяются на протяжении многих эпох.

Для первобытных построек применялись  простейшие материалы: глина, лоза, тростник, дерево и природный камень.

При постройке крупных сооружений в рабовладельческом обществе (крепостей, дворцов, храмов, военных дорог и  мостов) широко использовались горные породы; их обрабатывали в виде камней и плит правильной формы (Урарту, Хорезм и др.). В тех районах, где природного камня было мало, употребляли высушенный (необожженный) кирпич из глины или речного ила. Для облицовки стен, сложенных из необожженного кирпича-сырца, позднее стали применять обожженные изделия из глины (кирпич и облицовочные плиты). Обжиг глиняных изделий, придающий им прочность и водонепроницаемость, применялся в глубокой древности; это одно из крупнейших изобретений человека. Вначале этот способ применялся для изготовления посуды формовали с помощью каркаса, сплетенного из лозы, а затем, после появления формовочного круга, и без каркаса, а после этого обжигали).

Уже в 7-6 веках до нашей эры получила распространение в качестве материала для кровель глиняная обожженная черепица, а в дальнейшем--терракота (облицовочные плиты) и кирпич--для стен. Вообще же керамические изделия известны не менее 12 тысяч лет. Для скрепления камней при возведении построек были необходимы вяжущие вещества. Первыми вяжущими веществами, появившимися в древности, были: глина, гипс, известь, а также асфальт. Все они, кроме асфальта, способны твердеть только на воздухе.

Затем для строительства фундаментов, водопроводов, портов и других гидротехнических сооружений, потребовались вяжущие вещества, способные твердеть в воде. Таким простейшим вяжущим применявшимся еще в древности на юге и в центре нашей страны, была смесь извести с толченым (молотым) слабообожженным кирпичом (так называемой цемянкой), а в древнеримском строительстве--кроме того, смесь извести с вулканическим пеплом (пуццоланой). Вяжущие вещества применялись в древнем строительстве не только для каменной кладки, но и для получения простейшего бетона. Из других строительных материалов в рабовладельческом обществе были известны стекло и краски.

В средние века раздробленность  феодальных владений и удорожание рабочей  силы заставляли отказываться от использования  природного камня, на обработку которого затрачивалось много труда, и  применять более дешевые и прогрессивные материалы, большое распространение получило производство кирпича и черепицы.

Развитие капитализма вызвало  широкое промышленно железнодорожное  и военное строительство материалы  высокой прочности -- появились строительные и броневые стали, был изобретен в 70-х годах ХIХ века железобетон. Изобретению железобетона предшествовало создание ряда вяжущих веществ (гидравлическая известь, романцемент), твердеющих в воде и обладающих более высокой прочностью ста рое вяжущее известь.

В начале ХIХ века в России был изобретен и изготовлен цемент хорошего качества. Начиная с 60-х годов ХIХ века, после усовершенствования технологии и повышения прочности цемента, он становится основным вяжущими для изготовления бетона и железобетона.

В конце ХIХ и в начале ХХ веков получило развитие производство искусственных каменных материалов (силикатного кирпича, асбестоцемента, шлакобетона и др.), а также различных тепло- и гидроизоляционных материалов.

Грандиозное строительство, развернувшееся в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции, потребовало реконструкции старых и постройки новых заводов строительных материалов. В годы пятилеток были введены в строй сотни заводов строительных материалов, оснащенных новейшим, высокопроизводительным оборудованием. Созданы и применяются в строительстве новые, более экономичные мате риалы (пустотелый кирпич, шлаковые цементы, цементы с активными добавками, легкие бетоны и др.), значительно расширено производство местных материалов, не требующих дальних перевозок и удешевляющих строительство. Производство строительных материалов в СССР по сравнению с дореволюционной Россией возросло во много раз. Так, в 1952 г. было произведено по сравнению с 1913 г. стали в 8,3 раза больше, цемента в 9, раз и т. д.

Для индустриального и скоростного строительства начали широко применять готовые строительные детали (железобетонные, металлические, деревянные, гипсовые, крупные шлакобетонные блоки), получаемые со специальных заводов. В связи с этим коренным образом меняется характер строительства: здания или сооружения целиком или частично возводятся из готовых деталей путем их сборки кранами. Это намного повышает производительность труда, удешевляет строительство и ускоряет его темпы. Создана новая отрасль промышленности--фабрично-заводское производство сборных жилых домов и стандартных деталей из дерева, гипса, асбестоцемента и других материалов; развернуто производство новых теплоизоляционных материалов--минеральной ваты и древесноволокнистых плит.

Строительные материалы  являются основой нашего огромно го строительства — промышленного, жилищного, гидротехнического, транспортного, и др. К числу важнейших строительных материалов относятся: металл, лесные материалы, цемент, бетон, кирпич, камень, шифер (асбестоцементный), черепица, рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы, теплоизоляционные, стекло и др.

Перечислите основные изделия и конструкции из древесины, применяемые в современном строительстве.

К основным древесным строительным материалам относятся круглые лесоматериалы, пиломатериалы, клееные изделия и конструкции, древесностружечные, древесно-цементные и древесноволокнистые плиты, арболит, фибро Круглые лесоматериалы — отрезки древесного ствола разных пород и размеров, очищенные от коры и сучьев. В целом виде круглые лесоматериалы применяют в строительстве в качестве стенового материала, опор и столбов для воздушных линий связи и линий электропередачи и настила при строительстве мостов, дорог, для ограждения территорий и т.д.

Выработанные из круглых  материалов, сохранившие природную структуру древесины, пиломатериалы, колотые лесоматериалы (клепка для бочек), строганый и лущеный шпон и другие относятся к группе обработанных.

Пиломатериалы-— продукция, получаемая при раскрое бревен, имеющая  стандартные размеры и качество, используемая в целом виде или для выработки заготовок, деталей и изделий из древесины. В пиломатериалах продольные и широкие стороны называют пластями, продольные узкие — кромками, а перпендикулярные им — торцами. Линии пересечения пластей и кромок пиленой продукции называются ребрами. Часть поверхности бревна, оставшаяся на пиломатериалах, называется обзолом. По породам древесины пиломатериалы делятся на две основные группы: хвойные и лиственные. По размерам поперечного сечения они разделяются на брусья, бруски и доски.

Брусья — пиломатериалы  толщиной и шириной 100 м и более. По числу пропиленных пластей  различают двух-, трех- и четырех-кантные  брусья. Бруски — пиломатериалы  толщиной до 100 мм и шириной не более  двойной толщины. Доски — пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной более двойной толщины. Пиломатериалы могут быть обрезными (7.1, в-—д) и необрезными (7.1, а, б, е). У обрезных пиломатериалов пласти и кромки пропилены по всей длине; у необрезных пласти пропилены, а кромки не пропилены или пропилены частично, и величина непропиленной части превышает допустимые размеры для обрезных пиломатериалов. При выработке пиломатериалов образуется попутная пилопродукция в виде обапола. Обапол — пилопродукция, получаемая из боковой части бревна и имеющая одну пропиленную, а другую непропиленную или частично пропиленную поверхность. Из пиломатериалов изготовляются для нужд строительной индустрии различные изделия и конструкции.

Ш п а л ы — продукция, получаемая при продольном распиливании бревен с поперечным сечением, близким к брусьям, длиной 1,35...2,7 м. Шпалы применяют в железнодорожном строительстве. Шашка из древесины представляет собой бруски четырех- или шестигранной формы. Высота шашки для полов 60...80 мм; для дорожных мостовых покрытий 100...120 мм, ширина 50...100 мм. Влажность древесины для шашки должна быть не более 25 %. Шашки изготовляют из древесины хвойных и твердых лиственных пород, за исключением пихты, березы, бука и дуба. Учитывают шашку в квадратных метрах их торцовой поверхности.

Полуфабрикаты, заготовки  и изделия. Полуфабрикаты и заготовки  — это доски или бруски, прирезанные  применительно к заданным размерам, с соответствующими припусками на механическую обработку и усушку. К ним относятся  шпунтованные доски для полов, плинтусы, галтели для заделки пространства между полом и стенками, наличники для обшивки оконных и дверных коробок.

Строительные детали —  это элементы сборных домов, различные  столярные изделия, изготовленные  на специализированных заводах. Наиболее прогрессивными являются клееные деревянные конструкции.

Клееные деревянные конструкции  — изделия, получаемые путем склеивания досок (брусков) и фанеры. Технология изготовления клееных конструкций  состоит из следующих основных операций: сушки» отбора и сортировки пиломатериалов, обработки поверхностей для склеивания, нанесения клея, запрессовки, выдерживания в прессах под давлением, обработки поверхностей готовых элементов и отправки их на склад готовой продукции.

Пиломатериалы, предназначенные  для изготовления клееных конструкций, высушивают до влажности 10...15 %, сортируют по качеству, раскраивают по длине с вырезкой дефектных мест и подготавливают для склейки на «зубчатый шип». Размер склеенной нитки досок обычно равен длине конструкции или ее элемента. После склейки осуществляют стружку элементов на четырехстороннем строгальном станке.

Запрессовка клееных деревянных конструкций обычно осуществляется в специальных горизонтальных и  вертикальных ваймовых прессах, а также  в пневматических и гидравлических прессах. При запрессовке пакета необходимо соблюдать два основных требования:

1) тщательную калибровку  досок (недопустимы их покоробленность  и различная толщина);

2) равномерное нанесение  клея на склеиваемые поверхности  при строгом соблюдении установленной инструкцией вязкости клея и времени обработки и запрессовки.

После выдерживания до отверждения  клея конструкции подают на пост отделки, где их очищают от потеков клея и покрывают лакокрасочными материалами, иногда для повышения био- и огнестойкости (эти операции могут быть выполнены на пиломатериалах до их склеивания) — антисептиками и антипиренами. Эти конструкции все шире используются в народном хозяйстве благодаря малой плотности, большой прочности и стойкости при эксплуатации в различных условиях, в том числе в агрессивных средах, возможности изготовления любых размеров и форм.

В строительстве используют клееные конструкции двух принципиально различных видов: несущие и ограждающие. Несущие конструкции являются многослойными, т.е. склеенными из слоев древесины. Иногда многослойные деревянные конструкции усиливают путем вклеивания металлической или пластмассовой арматуры. Такие конструкции называют армированными. Существуют комбинированные конструкции, состоящие из слоев массивной древесины, склеенных с фанерой. Чаще всего это конструкции двутаврового или коробчатого сечения, верхний и нижний пояса которых запроектированы из древесины, а вертикальная стенка — из плоской или волнистой фанеры.

Деревянные клееные конструкции  классифицируются по различным признакам: статической схеме, размерам (пролету и высоте) и конфигурации, назначению и т.п. К несущим деревянным конструкциям относятся плоские конструкции — балки, рамы, фермы, арки и пространственные — оболочки и купола.

Балки — наиболее простой  тип конструкций; процесс изготовления их может быть максимально механизирован. Клееные балки имеют различные очертания и формы поперечного сечения (7.2). Высота сечения назначается не менее Vis пролета. Балки сплошного сечения состоят из слоев массивной древесины, склеенных по пласта. Балки двутаврового и коробчатого сечений изготовляют с плоскими и волнистыми стенками, применяя для плоских стенок многослойную клееную древесину или фанеру, а для волнистых — только фанеру. Полки и ребра жесткости изготовляют из массивной древесины. В отдельных случаях для небольших пролетов (до 10 м) в двутавровых балках и стенку, и полки делают из фанеры. Рекомендуется путем предварительного выгиба придавать балкам строительный подъем, примерно равный 1/200 пролета.

Наибольшее применение в строительстве мостов на лесных дорогах находят многослойные балки, чаще всего сплошного прямоугольного сечения.

В строительстве применяют  также колонны, стойки и тому подобные клееные конструкции,  которые отличаются от балок по статической схеме, однако аналогичны им по форме и процессу изготовления.

Древесностружечные плиты  изготовляют путем горячего прессования  древесных частиц, смешанных со связующим. Древесные частицы обычно называют древесными стружками. При этом применяют  специально изготовленную стружку определенной формы и размеров, полученную на специальных стружечных станках. Связующее — это смесь различных веществ, обладающих способностью взаимно связывать частицы древесностружечной плиты. В соответствии с ГОСТ 10632—89 плиты плоского прессования выпускают трех марок: П-1, П-2, П-3. Средняя плотность плит составляет 550...850 кг/м , прочность при статическом изгибе 13,37...24,51 МПа. Размеры плит по длине равняются 2440, 2750, 3500, 3660, 5500 мм, по ширине 1220...2400 и по толщине 10...25 мм (преимущественно 19 мм).

Прессование древесностружечных плит осуществляется прессами периодического, непрерывного и экструзионного действия. В первых двух случаях прессование  происходит перпендикулярно плоскости  плиты, а в третьем — параллельно (в торец). По числу слоев плиты изготовляют одно-, трех- и многослойные. Технологический процесс изготовления древесностружечных плит состоит из следующих, стадий: подготовка и измельчение сырья; сушка и сортировка стружки; приготовление связующего вещества; смешивание стружки с вяжущим; формирования плиты с ее подпрессовкой; горячее прессование; выдержка плит; их обработка (обрезка, шлифовка, облицовка); приемка; складирование и хранение в закрытых складах.

Технологический процесс, осуществляемый способом непрерывного действия, отличается тем, что вместо подпрессовочного пресса и горячего пресса периодического действия применяют установку непрерывного действия.

Выработка экструзионных  древесностружечных плит осуществляется с помощью поршневого пресса, который  за каждый ход поршня припрессовывает с торца плиты в нагретом направляющем канале прямолинейного сечения порцию стружки. Таким образом плита получается как бы составленная из ряда последовательно связанных торцовых слоев, причем их ширина соответствует ширине канала, а толщина — расстоянию между плоскостями (щеками) канала. В строительстве древесностружечные плиты используются как тепло-и звукоизоляционный конструкционный материал для облицовки стен, перегородок, изготовления дверных полотен, встроенной мебели и др.

Древесноволокнистые плиты  представляют собой листовой материал, изготовленный в процессе горячего прессования или сушки массы  из древесного волокна, сформированный в виде ковра. Формование ковра может  осуществляться как мокрым, так и  сухим способами. Мокрым способом изготовляют плиты мягкие, ПТ-100, твердые, сверхтвердые, требования к которым определены ГОСТ 4598—86*. Сухим способом изготовляют плиты твердые и сверхтвердые, требования к которым определены ТУ 13-444—79. Основные показатели плит определены в указанных нормативных документах.

Технологический процесс  производства древесноволокнистых  плит состоит из приготовления щепы, волокнистой массы, эмульсий и проклеек, формирования плит, гидротермической обработки (сушки и охлаждения), отделки, приемки и отправки на склад.

Щепу получают путем измельчения  отходов на рубительных машинах  и последующей сортировки. Волокнистую  массу приготовляют из щепы механическим, химико-механическим или термомеханическим  способами. При механическом способе  щепа подвергается размолу на дефибраторах и вторично на рафинерах. При химико-механическом способе щепу варят в растворе едкого натра, после чего промывают и размалывают дважды на мельницах (предпочтителен для смолистой древесины). Термомеханический способ приготовления волокнистой массы заключается в обработке в герметизированном автоклаве влажным паром под давлением, после чего клапан автоклава открывается, а щепа вследствие резкого понижения давления разрывается и распадается на волокна, которые выбрасываются в размельченном состоянии в сепаратор. Затем масса остывает до определенной температуры и в случае необходимости подвергается дополнительному размолу.

Для придания плитам водостойкости, механической прочности и огнестойкости  в сырьевую смесь вводят эмульсию. В разведенном состоянии ее подают для смешивания с волокнистой массой. Разбавленная водой и эмульсией волокнистая масса передается на сеточную машину, где происходит обезвоживание и формование плиты. Обезвоженная волокнистая масса-плита обрезается и поступает в сушильный пресс, где прессуется при температуре около 150 °С и давлении примерно 2,5 МПа. После прессования плиты поступают в камеры закаливания, а затем охлаждения и увлажнения. Охлажденные плиты обрезают по формату и упаковывают.

Прессование изоляционных плит осуществляется при более низком давлении, сушку и охлаждение производят в роликовых непрерывных сушилках.

В настоящее время древесноволокнистые  плиты изготовляют полусухим  и сухим способами. Они отличаются от вышеописанного мокрого способа  тем, что ковер формируется не смешиванием древесного волокна с водой, а с помощью воздуха (пневмотранспортом), вследствие чего он имеет меньшее содержание влаги. При этом способе изготовления плит количество влаги в волокнах составляет 20...40 % их массы, а для сухого способа — 10... 15 %. Однако при изготовлении плит этими способами требуется дополнительный расход связующих смол. Основное применение древесноволокнистые плиты находят в жилищном и промышленном строительстве, в мебельном и тарном производстве.

Фанера — тонкий листовой материал, который получают склеиванием  древесного шпона в три и более  слоев во взаимно перпендикулярном направлении волокон. Шпон получают на специальных станках путем  срезки слоя древесины в виде широкой  ленты с вращающегося, предварительно распаренного кряжа березы, дуба, ольхи, сосны и других пород В зависимости от вида применяемого клея получают фанеры: водостойкую (ФСФ), склеенную фенолформальдегидными клеями; средней водостойкости (ФК), склеенную карбамидными клеями; ограниченной водостойкости (ФБА), склеенную альбуминоказеиновыми или белковыми клеями.

Общие технические  свойства пластмасс.

Пластическими массами или пластмассами называются получаемые на основе высокомолекулярных органических соединений материалы, которые способны принимать в определенных условиях (повышенная температура, давление) любую заданную форму и сохранять ее в дальнейшем. Механические и физические свойства пластмасс можно изменять в широких пределах смешиванием полимеров, добавлением пластификаторов и наполнителей, подбором условий формования и конструкции формуемых изделий. 
 Наполнители. Наилучшие результаты получены рациональным подбором наполнителей. Термореактивные смолы по своей природе хрупки и, за исключением фенольных, редко используются без волокнистых наполнителей. Чаще всего применяются древесные опилки, хлопковые очесы, целлюлозные волокна и ткани, асбест и стекловолокно. Последнее позволяет получать слоистые структуры со значительно большей прочностью, чем целлюлозные или органические волокна. Плотность большинства пластмасс лежит в пределах 0,92-1,54 г/см3, что много ниже плотности легких металлов. Введение хлора в молекулу повышает плотность - например, у поливинилхлорида она равна 1,7 г/см3. У полипропилена наименьшая плотность среди пластиков; полистирол лишь чуть тяжелее воды. У пластиков с минеральными наполнителями плотность возрастает пропорционально содержанию наполнителя. Пенопласты и сотовые структуры, сделанные из бумаги и тканей, пропитанных пластиками, открывают возможность получения легких материалов высокой прочности. 
 Прозрачность. Аморфные полимеры - светлые и прозрачные. Степень прозрачности оценивается по пропусканию света. У полиметилметакрилатов она наибольшая (свыше 90% светопропускания); полистирол и органические простые и сложные эфиры целлюлозы также обладают хорошей светопроницаемостью. Электрическое сопротивление некоторых пластиков велико, и они находят разнообразные применения в электронном оборудовании. Полистирол, полиэтилен, полиметилметакрилат, полипропилен и тефлон (политетрафторэтилен) обладают прекрасными диэлектрическими и изолирующими свойствами. 
 Термостойкость. Некоторые пластические материалы, особенно полиимиды, кремнийорганические полимеры и тефлон, проявляют исключительную термостойкость, но с трудом поддаются прямому прессованию или литьевому формованию. Силиконовые каучуки можно формовать как резину, но процесс вулканизации продолжительный, а продукты непрочны. Тефлон можно медленно выдавливать при высоких температурах; получающиеся изделия тверды и устойчивы (без деструкции и разложения) при температурах до 260° С в течение длительного времени. Несмотря на несколько большую термостойкость, термоотверждающиеся пластики (реактопласты) не выдерживают продолжительного нагрева до 200° С; этот предел можно повысить примерно до 250° С добавлением минеральных наполнителей. Хладостойкость существенна для гибких элементов, используемых на открытом воздухе или в холодильниках. Сополимеризация и использование пластификаторов позволяет пластмассам удовлетворительно выдерживать низкие температуры. 
 Хемостойкость. Некоторые пластические материалы обладают исключительной устойчивостью к кислотам, щелочам и растворителям. Термореактивные смолы в общем не поддаются воздействию обычных растворителей. Щелочи и кислоты мало влияют на фенольные пластмассы, хотя их наполнители в некоторых случаях могут набухать. Пластмассы на основе мочевины слегка набухают в водных растворах, пластмассы на основе меламина несколько более устойчивы. Некоторые растворители влияют на большинство термопластов. Углеводородные смолы обычно растворимы в ароматических углеводородах, но вода и низшие спирты не влияют на них. Полистирол чрезвычайно устойчив к сильным минеральным кислотам и щелочам. Поливиниловый спирт устойчив практически ко всем органическим растворителям, но растворим в воде. Ацетат целлюлозы проявляет хорошую устойчивость почти ко всем растворителям, кроме кетонов, однако поглощает некоторое количество воды. Ацетат-, пропионат-, бутират- и этилцеллюлозы не подвержены воздействию влаги. 
 Прочность на растяжение. Предел прочности на растяжение есть максимальное растягивающее усилие, которое материал может выдержать без разрыва. Большинство пластмасс имеют предел прочности на растяжение в диапазоне 48-83 МПа; в некоторых случаях волокнистые наполнители увеличивают прочность на растяжение. Линейные кристаллические материалы, подобные найлону, после ориентации вытягиванием значительно повышают свою прочность на растяжение (до 276-414 МПа). 
 Прочность на сжатие. Предел прочности на сжатие есть максимальное давление, которое материал может выдержать без изменения (уменьшения) объема. Армированные пластики обладают более высокими пределами прочности на сжатие (более 200 МПа), чем ненаполненные винильные полимеры (ок. 70 МПа). 
 Ударопрочность. Наполнители, особенно волокнистые, повышают ударопрочность и обычно используются в термореактивных смолах. Некоторые линейные термопласты, например найлон, полиформальдегид и поликарбонаты, обладают исключительной ударопрочностью.