Учебное пособие 800576

От остальных мировых держав Российская Федерация отличается огромной территорией, которая с учетом климата, национальных строительных традиций, природных ресурсов, менталитета граждан и других аспектов определяет широкую гамму архитектурно-строительных решений. Это, в свою очередь, накладывает определенные требования к применяемым строительным материалам, изделиям и конструкциям. Тем не менее, несмотря на многие трудности в прогнозах, можно предположить, что основными строительными материалами в будущем будут металл, бетон и железобетон, керамика, стекло, древесина, полимеры.

Строительные материалы будут создаваться на той же сырьевой основе, но с применением новых рецептур компонентов и технологических приемов, что позволит получить высокое качество материалов и изделий и, следовательно, обеспечить долговечность и надежность конструкций и сооружений. Прогнозируется максимальное использование отходов различных производств, отработанных изделий, бытового мусора. Строительные материалы будут выбираться по экономическим критериям, а их производство будет основываться на безотходных технологиях [5].

Безусловно, прогнозирование номенклатуры и ассортимента новых строительных материалов должно вестись параллельно с прогнозированием спроса на них. Такие прогнозы могут сопутствовать или предшествовать промышленному производству этих материалов.

До начала разработки нового материала или изделия должна быть определена его технико-экономическая эффективность. Это позволит дать обобщенную оценку преимуществ и недостатков нового материала по сравнению с тем, который предполагается заменить, а также рассмотреть различные варианты новых конструктивных решений с его применением.

Не менее важной задачей прогнозирования в промышленности строительных материалов является предвидение параметров качества будущих материалов и изделий, их надежности и долговечности, технологичности в производстве и применении, экономичности, санитарно-гигиенических и эстетических свойств. Такие прогнозы по оптимальным (требуемым) параметрам качества наряду с прогнозами по номенклатуре и ассортименту должны являться основой для будущего производства.

Таким образом, главные задачи прогнозирования в промышленности строительных материалов – это прогнозирование номенклатуры, объемов производства и параметров качества новых материалов и изделий. В решении этих задач архитекторы и строители должны принимать самое непосредственное и активное участие [1, 2, 4].

Бетонные и железобетонные изделия занимают первое место среди конструкционных материалов, применяемых в строительстве. За рубежом около 60 % общего объема бетонных и железобетонных конструкций выполняются монолитными. Перспективное развитие отрасли бетона и железобетона невоз-

21

можно без решения следующих важных задач:

созданиегибкихтехнологических линийдлязаводовсборногожелезобетона;

автоматизация производства железобетонных конструкций массового применения;

создание конкурентоспособного отечественного оборудования;

расширение номенклатуры модульных опалубок;

внедрение в строительную практику высокопрочных бетонов. Мелкоштучные стеновые материалы по-прежнему остаются одними из са-

мых распространенных материалов. Их суммарный объем при строительстве многоэтажного и индивидуального жилья составляет около 50 %. На сегодняшний день к промышленности стеновых материалов относится 517 крупных и средних предприятий, в том числе 460 кирпичных заводов. Перспективное развитие и расширение производства стеновых материалов может осуществляться за счет создания технологических линий по производству ячеистого пено- и газобетона автоклавного и неавтоклавного твердения, лицевых облегченных камней и блоков, пенополистиролбетона, гипсовых пазогребневых перегородочных плит.

В мире современных строительных материалов керамике принадлежит значительное место, обусловленное широким диапазоном ее физикомеханических и химических свойств. Помимо строительных материалов различного функционального и специального назначения, керамика применяется в космической технике, электронике, медицине, в двигателях внутреннего сгорания, огнеупорах и других областях. По мнению многих специалистов, керамика способна обеспечить революционные изменения в строительстве, энергетике, машиностроении, электронике, космической технике. Прогнозируется, что керамика в ближайшее время может занять положение третьего промышленного материала после металлов и пластмасс, знаменуя тем самым начало «нового каменного века».

Ускоренное развитие химической индустрии и успехи в области технологии полимеров сулят большое будущее конструкционным, изоляционным и отделочным материалам из пластмасс.

По прогнозам будет увеличиваться объем производства теплоизоляционных материалов. Основным видом утеплителя останутся материалы на основе минеральных волокон. На сегодняшний день их доля в общем объеме производства составляет более 73 % (в том числе 32 % из минеральной ваты и 41 % их стеклянного волокна). Около 22 % рынка приходится на теплоизоляционные пенопласты.

Структура объемов выпуска теплоизоляционных материалов в России близка к структуре, сложившейся в передовых странах мира, где на долю утеплителей приходится 60…80 % от общего выпуска теплоизоляционных материалов.

Уже сейчас имеется большое количество фирменных названий отделочных, теплоизоляционных и других материалов, которые в принципе отличаются друг от друга только составом и технологией. Этот поток новых материалов будет увеличиваться, а их эксплуатационные свойства совершенствоваться с

22

учетом суровых климатических условий и экономии энергетических ресурсов.

Вобщей структуре применяемых в строительстве кровельных материалов на долю шифера приходится около 55 %, а в малоэтажном и сельском строительстве – до 80 %. Асбестоцементная кровля в 4…6 раз дешевле черепичной, металлической, полимерной и из других альтернативных материалов, она применима во всех климатических зонах. Прирост выпуска продукции асбестоцементных предприятий будет обеспечен новыми видами изделий: окрашенными волнистыми крупноразмерными и мелкоразмерными листами, плоскими прессованными плитками различного профиля, плитами для навесных вентилируемых фасадов, а также труб, различных сегментов и др.

Впоследние годы наблюдается значительный рост применения металлочерепицы и различных видов металлических кровель, особенно в индивидуальном и коттеджном домостроении. По прогнозам, объем этих кровельных материалов будет возрастать.

Таким образом, по мнению большинства ученых и специалистов в области строительства, перспективными материалами будущего будут пластмассы, цветные металлы, сталь, бетон и железобетон, керамика, стекло, искусственные деревянные конструкции. В табл. 1.3 представлены данные по удельным объемам применения строительных материалов в мировой практике строительства.

Таблица 1.3

Применение строительных материалов в мировой практике

23

Будущее строительства и архитектуры неразрывно связано с будущим их материальной основы – новыми и усовершенствованными традиционными строительными материалами и изделиями. Но если в прошлом материалы во многом определяли возникновение и развитие новых конструкций и новых архитектурных форм, то в будущем, вероятно, сама архитектура и ее творцы – зодчие, станут определять, какой должна быть их палитра, какие материалы (в каком количестве и какого качества) должны быть разработаны и изготовлены промышленностью для наиболее точного воплощения в жизнь любых творческих проектов.

Для осуществления и реализации вышесказанного должны быть решены следующие задачи:

переход на новые стандарты производства и методов испытаний материалов, увязанные с европейскими и мировыми стандартами;

стимулирование развития отечественного машиностроения;

экономическая поддержка создания новых эффективных видов строительных материалов и экспериментальных производств;

выделение средств на проведение научно-исследовательских и опытноконструкторских работ по приоритетным направлениям развития отрасли.

Аттестационные вопросы

1.Охарактеризуйте связь строительства и архитектуры с материальной базой.

2.Раскройте понятия «строительный материал», «изделие», «конструкция».

3.Представьте классификацию строительных материалов и изделий по назначению.

4.Раскройте комплексную связь строительства и архитектуры с их материальной базой и научно-техническим прогрессом.

5.Опишите основные архитектурно-строительные требования к строительным материалам.

6.Что такое физический и моральный износ строительных материалов?

7.Представьте общую схему формирования качества строительных материалов.

8.Какие материалы будут использоваться в архитектурно-строительной практике в будущем?

24

РАЗДЕЛ 2

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И КОНСТРУКЦИОННО-ОТДЕЛОЧНЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1.Общие сведения

оконструкционных и конструкционно-отделочных материалах

История строительства и архитектуры с глубокой древности и до современности изобилует убедительными примерами того, как изобретение и совершенствование новых конструктивных систем и новых методов строительства в области технологии производства и применения новых и традиционных материалов оказывались важными, а порой главными двигателями развития новых архитектурных форм, новых стилевых и композиционных решений. В свою очередь, архитектурно-строительная практика всегда ставила перед наукой и техникой определенные задачи, решение которых способствовало их прогрессу.

Уже на заре архитектуры формируются и совершенствуются специфические строительные приемы и средства труда, инструменты и механизмы, позволяющие обрабатывать и перемещать огромные массы природного материала, создавать и приспосабливать для своих нужд искусственную среду, удовлетворяющую главным жизненным потребностям человека [1, 2].

В настоящее время среди конструкционных материалов ведущее место принадлежит бетону и железобетону. Это связано с тем, что конструкции из бетона и железобетона обладают достаточной долговечностью, прочностью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью и другими положительными свойствами. Применение металла и различных сплавов во многих несущих конструкциях экономически эффективно по сравнению с железобетоном. Это объясняется быстротой монтажа, возможностью сооружения сборно-разборных конструкций и др. Деревянные несущие конструкции, хотя уступают по огнестойкости и некоторым другим показателям железобетону, являются более дешевым местным материалом, легко обрабатываются и снижают вес зданий и сооружений. Номенклатура современных материалов и изделий для несущих и ограждающих конструкций чрезвычайно многообразна. Наряду с такими традиционными материалами, как природный камень, древесина, керамический и силикатный кирпич, находят все большее применение крупноразмерные изделия (камни, блоки, панели, объемные элементы и др.) из легкого бетона, алюминиевых сплавов, стекла и стеклопластиков, а также пенопластов и других эффективных материалов.

Среди конструкционно-отделочных материалов большое распространение в архитектурно-строительной практике получили уже упомянутые керамические материалы, изделия из стекла и пластмассы.

25

2.2.Древесина, ее свойства и область применения

встроительной практике

Самый распространенный природный строительный материал – древесина, такой же древний, как само строительное искусство. Было время, когда древесина была главным и почти единственным строительным материалом. Древесина – это единственный в природе материал, запасы которого постоянно и довольно быстро восстанавливаются. Мировое потребление древесины почти вдвое превышает годовое производство чугуна и стали вместе взятых.

Россия по величине лесных массивов занимает первой место в мире. Велики ее запасы в Карелии, на Кавказе и Дальнем Востоке.

Древесные породы подразделяются на две группы: хвойную (сосна, лиственница, ель, пихта, кедр и др.) и лиственную (дуб, ясень, бук, береза, осина и др.). Широкое применение в архитектурно-строительной практике древесина получила благодаря целому комплексу положительных свойств: высокой прочности при небольшой средней плотности, малой теплопроводности, высокой морозостойкости и сопротивляемости действию химических реагентов, легкости в обработке. Вместе с тем древесина обладает и отрицательными свойствами, ограничивающими область ее применения. К числу недостатков древесины можно отнести неоднородность (анизотропность) строения, наличие пороков, гигроскопичность и связанные с ней деформации и коробления, способность к загниванию и возгоранию.

Применение срезанной древесины стало возможным с изобретением ручного каменного рубила, а затем и каменного топора (начало неолита). Первые конструкции из дерева были примитивны. Совершенствование техники рубки позволило сооружать стропильные кровли – односкатные и двухскатные. Упоминание о деревянных стропилах встречаются в «Илиаде», созданной в конце VIII в. до н.э.,

Расцвет бревенчатой архитектуры, рожденной простым каменным топором, начался много позже. Металлический топор и изобретение врубки как нового надежного способа сопряжения бревен явились главным двигателем прогресса деревянного строительства. Сруб позволил расти деревянным строениям ввысь. Плотничное искусство достигло большого совершенства в богатых лесом северных странах. Железным плотничным топором научились тесать «на четыре канта» брусья, получать «плаху» (плоскую доску). Построенная в петровские времена 22-главая Преображенская церковь (рис. 2.1) справедливо считается одним из непревзойденных шедевров русского деревянного зодчества [1, 9].

Подлинной революцией в обработке древесины как строительного материала было применение пилы, изобретенной еще в каменном веке, но получившей широкое применение гораздо позже .

Археологические раскопки в Трое обнаружили каменные пилки. Древнейшие металлические пилы делались из меди, а позже – из бронзы. Последние, предназначенные для пиления деревьев были обнаружены среди археологических находок бронзового века у разных народов. Стальные пилы известны в Древнем Риме. В Новгороде найдена стальная пила-ножовка с разведенными зубьями (изготовлена в XI в.).

26

Рис. 2.1. Преображенская церковь, Кижи, Россия

Пиленый брус и доска становятся главными строительными материалами, а резко сократившиеся отходы при обработке бревна позволили применять дерево и там, где оно было дефицитно. Появляются деревянный нагель (из твердых пород дерева) и железный кованый гвоздь .

Соперником строительства в потреблении пиломатериалов было судостроение, откуда позже пришли в строительные конструкции болтовые соединения.

Гвоздевые и болтовые соединения позволили резко увеличить пролетность деревянных конструкций, которые долгое время не могли перешагнуть десятиметровую длину.

Следующим этапом процесса механизации обработки древесины как конструкционного материала было изобретение в 1799 г. французским инженером Алебером дисковой пилы, позволившей намного увеличить скорость пиления**.

Бронзовые гвозди были известны еще в Древнем Египте.

Скорость продвижения пилы при ручном пилении бревен составляла около 0,5 м/мин, водяные и паровые лесопилки увеличили ее до 1…3 м/мин, внедрение дисковых пил позволило ускорить подачу бревна до 30…50 м/мин. Современные станки работают на высоких скоростях до 100 м/мин и подаче – до 180 м/мин.

27

Примерно в то же время (1806 г.) английским инженером Блюнелем была изобретена фанерострогательная машина, которая затем была усовершенствована Фаферайром в Англии и Гольцапфелем в России. В России же еще в конце XVIII в. появились первые строгательные машины, заменившие издавна применявшиеся в плотничном деле рубанки.

Развитие строгательных станков и появление казеинового клея, более водостойкого, чем роговой и мездровый, создало возможность изготовления нового строительного материала – арболита (клееной высокопрочной фанеры) .

Всевозрастающие масштабы деревообработки вызвали новую проблему, связанную с утилизацией большого количества отходов: при лесопилении и изготовлении строительных деталей из древесины образовывались опилки – около 10…15 % от общей массы пиломатериалов; а при работе строгательных машин – до 20 % стружки. В 1882 г. немцем Корнфельдом был изобретен ксилолит, в котором опилки, применяемые в качестве засыпки, были использованы как заполнитель искусственного каменного материала, изготовляемого на основе магнезиального вяжущего.

Инженеры и строители никогда не забывали и всегда пытались совершенствовать известные с древних времен способы повышения биостойкости и огнестойкости деревянных конструкций. В первой четверти XIX в. начали применять соляные пропитки – вымачивание древесины в морской воде взамен пресной. Затем стали применять пропитки различными химическими составами. В 1838 г. французский инженер Бетель применил давление до 8 атм с целью увеличения глубины пропитки древесины продуктами перегонки каменного угля. В 1847 году немецкий химик Фукс изобрел растворимое силикатное стекло. Это изобретение позволило широко внедрить в строительную практику огнезащитные силикатные краски и обмазки – сначала на натриевом связующем, а затем на более атмосферостойком – калиевом.

В дальнейшем успехи химической технологии и промышленности позволили внедрить новые эффективные огнезащитные средства – антипирены.

Внедрение клееных деревянных конструкций совершило коренной переворот в использовании древесины в строительстве и архитектуре: появились новые формы и новые конструкции, возросла «пролетность» сооружений.

Наряду с прогрессивными клееными материалами и конструкциями широко внедряются в архитектурно-строительную практику древесно-стружечные и древесноволокнистые изделия на основе древесного волокна и полимерного связующего, древесно-слоистые и бумажнослоистые пластики, деревополимерные и деревометаллические детали и конструкции. Такие материалы по сравнению с натуральной древесиной обладают лучшими эксплуатационнотехническими свойствами, что значительно расширяет область применения древесных строительных материалов в архитектурно-строительной практике.

Сейчас арболитом называют разновидность легкого бетона, изготовленного из смеси дробленых опилок, вяжущего (портландцемента) и воды.

28

Из древесины были возведены многие уникальные постройки. Храм Тодайдзи (рис. 2.2), расположенный в японском городе Нара, считается самым большим деревянным строением в мире. Этот храм знаменит еще и тем, что внутри него установлена самая большая бронзовая скульптура Будды высотой 25 м. На ее постройку ушло более 437 т бронзы.

Рис. 2.2. Храм Тодайдзи, Нара, Япония

В Японии находится и самое древнее деревянное строение в мире. Это древнейший буддийский храмовый комплекс Хорюдзи (рис. 2.3), занимающий площадь 90 тыс. м2. Он был возведен в VII в.

Рис. 2.3. Храмовый комплекс Хорюдзи, Япония

29

Мост У-Байн (рис. 2.4) является самым большим в мире деревянным мостом. Его длина составляет более 2 км. Конструкция этого моста состоит целиком из дерева. Деревянные опоры вбиты прямо в дно водоема, а расстояние между ними не превышает двух метров. Он перекинут через озеро между городами Мандалаем и Анарапурой в Мьянме (Бирма до 1989 г.).

Рис. 2.4. Мост У-Байн, Мьянма

Сегодня на основе древесины изготовляют различные материалы и изделия, используемые в архитектурно-строительной практике.

Круглые лесоматериалы изготавливают из ствола дерева путем распиловки на отрезки разной длины. В строительстве используют главным образом бревна как в круглом виде, так и в качестве сырья для выработки пиломатериалов.

Круглые лесоматериалы по толщине (диаметру) разделяют на мелкие (диаметром 6…13 см), средние (14…24 см) и крупные (26 и более см). Более тонкие части ствола или тонкий лес (от 3 до 7 см) строители называют жердями.

Пиломатериалы по геометрической форме и размерам поперечного сечения делят на пластины, четвертины, брусья, доски, горбыль. По характеру обработки пиломатериалы делят на обрезные и необрезные.

Строганные и фрезерованные детали (погонажные детали) – элементы небольшого поперечного сечения, обработанные на станках: доски и бруски для покрытия полов, плинтусы, наличники, поручни. Доски и бруски для полов на одной кромке имеют паз, на другой – гребень для плотного соединения элементов и обеспечения жесткости пола. Плинтуса служат для заделки углов между полом и стенами; поручни и наличники для обшивки дверных и оконных коробок.

Столярные изделия представлены оконными и дверными блоками, перегородками и панелями для жилых и гражданских зданий.

30