Задача 10.4

Образец древесностружечной плиты имеет размеры a × b × c, масса его m₁. После насыщения водой его масса увеличилась до m₂. Вычислить водопоглощение по объёму и массе.

11. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Металлы– кристаллические вещества, характерными свой­ствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, истинная плотность, как правило, большей единицы, особый блеск, называемый металли­ческим. Металлы с плотностью меньше 5 г/см3 условно называют лёгкими. Большинство же металлов имеют истинную плотность больше 5 и их именуют тяжёлыми.

Обычно металлы используют не в чистом виде, а в виде сплавов.

Металлические сплавы – это вещества, образовавшиеся в результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов. К компонентам, образующим сплав, относятся химически индивидуальные вещества или их устойчивые соединения. Металлические сплавы состоят либо только из металлов (например, сплав меди и цинка – латунь), либо из металлов с небольшим содержанием неметаллов (сплавы железа с углеродом – чугун и сталь).

Все металлы и сплавы подразделяют на цветные и чёрные.

К цветным (нежелезным) относят все металлы, кроме железа. Чаще всего в строительстве используют металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка и титана.

Алюминий и его сплавы. Алюминий – лёгкий серебристо-­белый металл. Важным достоинством его является низкая плот­ность (2700 кг/м³). В чистом виде алюминий мягок, пластичен, хорошо отливается, прокатывается, температура плавления со­ставляет 657 ºС. Алюминий обладает повышенной стойкостью к коррозии на воздухе за счёт образования защитной плёнки (А1₂O₃), имеет высокую тепло- и электропроводность. Предел прочности у алюминия при растяжении – 90...120 МПа.

В чистом виде в строительстве алюминий применяется для отливки деталей, изготовления порошков (алюминиевые краски и газообразователи при изготовлении ячеистых бетонов), фоль­ги, электропроводов.

Для строительных изделий алюминий применяют в виде сплавов, в состав которых входят Cu, Mn, Mg, Si, Fe.

Сплавы, состоящие из алюминия, меди, магния и марганца, носят название дюралюминий. Сплавы алюминия имеют предел прочности при растяжении более 100 МПа.

К чёрным металлам относят железо и сплавы на его осно­ве – сталь и чугун. На долю черных металлов приходится около 95 % производимой в мире металлопродукции. С целью прида­ния чёрным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Чёрные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2...4,3 %. В его состав входят также марганец, сера, кремний и фосфор. Основная масса чугуна идёт на производство стали. Кроме того, его используют как самостоятельный конструкционный материал.

Сталь – ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Это один из основных конструкционных строительных материалов. Из стали изготовляют строительные конструкции, трубопроводы, арматуру для железобетона.

По способу получения стали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу в зави­симости от входящих в сплав химических элементов стали бы­вают углеродистые и легированные.

Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содер­жит до 1 % марганца, до 0,4 % кремния, а также примеси серы и фосфора. По назначению углеродистые стали подразделяют на конст­рукционные и инструментальные.

Конструкционные стали содержат углерода не более 0,65 %. Их применяют для изготовления арматуры железобетонных конструкций. Используемые в строительстве конструкционные углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного ка­чества, качественные и специальные.

Легированные стали, кроме железа, углерода и нормальных примесей, содержат легирующие элементы, например хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, которые повышают качество стали и придают ей специальные свойства. К таким элементам относят также марганец и кремний, если их содержание в стали превышает 1 %.

По химическому составу различают низко-, средне- и высоколегированную сталь. По назначению легированные стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. В строительстве наиболее часто применяют низколегированные (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5 %) конструкционные стали. Их подразделяют на стали для металлоконструкций и стали для армирования железобетонных конструкций.

Сталь, наряду с бетонами, – главнейший конструкционный материал. Широкому использованию в строительстве сталь обли­зана высоким физико-механическим показателям, технологич­ности (возможности получения из неё конструкций различными методами) и большим объёмам производства.

Плотность стали – 7850 кг/м³, что приблизительно в три раза выше плотности каменных материалов.

Прочностные и деформативные свойства обычно опреде­ляются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение - деформация». Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей. Модуль упругости стали состав­ляет 2,1×10⁵ МПа.

Твёрдость сталей определяют на твердомерах по величине вдавливания зака­лённого шарика или алмазной пирамидки в испытуемую сталь. Её вычисляют в МПа.

Ударная вязкость – свойство стали противостоять динами­ческим (ударным) нагрузкам. Её значение определяют по вели­чине работы, необходимой для разрушения образца на маятни­ковом копре. Так, ударная вязкость при +20 ºС составляет 0,5…1 МДж/м², а при -20 ºС – 0,3...0,5 МДж/м².

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и составляет около 70 Вт/(м׺С).

Температура плавления стали зависит от её состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500...1300 ºС (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 ºС).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при на­гревании в ней происходят полиморфные превращения, приво­дящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 °С; после достижения температуры 500...600 °С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не ог­нестойки, и их необходимо защищать от действия огня.

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (про­катом, волочением, штамповкой и др.), во-вторых, металличе­ские изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклёпок и сварки.

Металлургическая промышленность выпускает стальные из­делия различной номенклатуры.

Профильную сталь применяют для изготовления разнообраз­ных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы промышленных и гражданских зданий, пролётные строения мостов, опоры ЛЭП, фонари освещения зданий и др.). Стальные конструкции изготовляют из стального проката, соединяемого сваркой, заклёпками и болтами. Стальные конструкции надёжны в эксплуатации, обладают небольшой массой и габаритами по сравнению с каменными и железобетонными.

Стальные конструкции обычно выполняют из прокатных элементов различного профиля (выпускаемых по определённому перечню – сортаменту), трубчатых и гнутых профилей, полосо­вой и листовой стали. В строительстве чаще всего применяют следующие прокатные и гнутые профили: прокатную листовую сталь, двутавровые балки, швеллеры, уголки равно- и неравно­полочные, прямоугольные и квадратные трубы. Каждый про­филь выпускают нескольких типоразмеров, регламентирован­ных стандартами.

Листовая прокатная сталь для строительных конструкций применяется четырёх видов: листовая, универсальная широко­полосная, рифлёная и просечно-вытяжная. Сталь листовая горя­чекатаная поставляется толщиной 0,4…160 мм, шириной – 500…1800 мм и длиной – 710…12000 мм.

Сталь прокатная широкополосная универсальная постав­ляется толщиной 6…60 мм, шириной – 200…1050 мм, длиной – 5000…12000 мм. Универсальная сталь – наиболее экономичный вид проката.

Сталь листовая рифлёная поставляется с ромбическими и чечевидными рифами толщи­ной от 2,5 до 12 мм, шириной – от 600 до 2200 мм, длиной – от 1400 до 8000 мм. Высота рифлей на листах составляет 0,1...0,3 толщины основания листа или не менее 0,5 мм. Рифлёная сталь применяется в качестве настила для площадок и ступенек лест­ничных маршей.

Просечно-вытяжная сталь изготовляется из толстолистовой стали толщиной 4; 5 и 6 мм методом просечки на прессах надре­зов по длине с последующей растяжкой листа поперёк и образо­ванием ячеек. Сталь поставляется шириной от 500 до 1400 мм, длиной – до 6000 мм. Применение такой стали для площадок и переходов взамен рифлёной даёт значительную экономию ме­талла по массе.

Балки двутавровые изготовляют 17 типоразмеров от № 10 до № 60 (номер указывает высоту балки в см) длиной от 4 до 12 м. При монтаже их соединяют друг с другом бол­тами, сваркой или заклёпками.

Колонны бывают сплошные, из одного или нескольких про­филей, или решетчатые, которые состоят из двух или четырёх ветвей, соединённых между собой решёткой. Верхняя часть ко­лонны называется оголовком, нижняя – башмаком. Колонна воспринимает сжимающие нагрузки.

Фермы – плоские решетчатые конструкции, перекрывающие весь пролёт здания (длина ферм - 18; 24; 30; 36 м и более) – вы­пускаются обычно из угловой стали с креплением сборочных единиц листовой сталью.

В последние годы широкое применение находят лёгкие ме­таллические конструкции (ЛМК). Применение ЛМК по сравне­нию с традиционными металлоконструкциями снижает в 3...4 раза расход металла на 1 м² площади здания, на 20...50 % со­кращаются сроки строительства, в 1,5...2 раза уменьшается тру­доёмкость и на 8... 10 % снижается стоимость строительства.

Все стальные конструкции, поступающие на стройки, долж­ны быть огрунтованы или окрашены. Места соединений и по­вреждения покрытия окрашивают после монтажа.

Алюминиевые конструкции применяют в промышленном и гражданском строительстве, в том числе при возведении подъёмно-транспортных сооружений, мостов, сборных домов, труб, профилей любого сечения, для изготовления оконных и дверных алюминиевых блоков, фасадов зданий, витражей, защитных рольставень, карнизов и т. д. Значительная часть экономиче­ского эффекта достигается за счёт сокращения транспортных и экс­плуатационных расходов в связи с повышенной коррозионной стой­костью и лёгкостью алюминиевых конструкций по сравнению с ана­логичными конструкциями из стали и железобетона.

Алюминиевые оконные блоки и витражи имеют улучшенные функциональные свойства, внешний вид и высокую долговечность, предопределяющие целесообразность их широкого применения во всех видах строительства.

Ограждающие алюминиевые конструкции стен и покрытий могут выполняться двумя способами: из панелей полной заводской готовности или из профилированных или гладких листов, утепляемых или не утепляемых в процессе строительства.

Соединения элементов алюминиевых конструкций осуществляются:

– аргонодуговой электросваркой с применением неплавящегося (вольфрамового) и плавящегося электродов;

– электроконтактной сваркой (для тонких листов);

– на заклёпках для элементов из упрочнённого алюминия и деталей разной толщины;

– на оцинкованных и кадмированных болтах, винтах и прокладках;

– на клею в болтовых соединениях, замках и защёлках.

Вопросы для проверки

1. Дайте определения понятиям «металлы» и «металлические сплавы».

2. Какие металлы относят к черным, а какие – к цветным? В чем заключают­ся их различия?

3. Что такое алюминий? Каковы области его применения в строительстве?

4. Что такое дюралюминий?

5. Что такое сталь? Какими способами её производят?

6. Назовите основные свойства стали.

7. Что такое углеродистая сталь? Чем характеризуются конструкционные углеродистые стали?

8. Что такое легированные стали и как их подразделяют?

9. В каких случаях целесообразно применять металлические конструкции в зданиях и сооружениях?

10. Назовите прокатные профили стали.

11. Какие виды строительных металлоконструкций вы знаете?

12. Что такое лёгкие металлоконструкции? Каковы преимущества их применения?

13. Назовите алюминиевые конструкции, применяемые в строительстве.

14. Как осуществляются соединения элементов алюминиевых конструкций?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.