Конструкционные материалы, применяемые для изготовления современного технологического оборудования

Другую крупную  группу полимеров составляют термореактивные полимеры, или реактопласты. Эти материалы полимеризуются (отверждаются) при нагревании под давлением, иногда с применением катализатора, и после этого не размягчаются при нагревании вплоть до разрушения. Они прочнее термопластов. Их типичные применения – нагружаемые зубчатые колеса, прутки, детали насосов, изоляторы и некоторые легкие детали конструкций. 

И в термопластах, и в реактопластах часто используют наполнители, т.е. вещества, которые  вводятся для улучшения свойств  или для удешевления изделия. Наполнителем могут служить опилки, слюда, стекловолокно и стеклоткань. Стекловолокно позволяет повысить прочность полимера на растяжение до 700 МПа. Полимеры такого типа, называемые композиционными материалами, применяются для вертолетных винтов, элементов ракетно-космических конструкций и для авиационных поверхностей управления. Поскольку свойства композиционных материалов такого рода ухудшаются с повышением температуры, они редко эксплуатируются при температурах выше 150° C. 

В технике применяется также полимерное волокно – в виде канатов и стропов. Природные полимеры, например пенька, в значительной мере вытеснены синтетическими. Классический пример технического полимера – резина. Вулканизованный каучук, т.е. каучук, термообработанный с применением серы и других добавок, уже многие десятилетия является важным техническим полимером. Резиновая автомобильная шина представляет собой камеру высокого давления, способную поддерживать большие грузы. Транспорт как отрасль потребляет огромные количества резины только в виде шин 
 
 
 
 

5. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 

В строительных и машиностроительных конструкциях применяются различные керамические материалы. К ним в первую очередь  относится стекло. Стекло выделяется своей прозрачностью, но его механические свойства оставляют желать лучшего. Однако оно может быть модифицировано на повышенную ударную прочность. Стекла – это «сплавы», основным ингредиентом которых является диоксид кремния. Наиболее распространено натриево-кальциево-силикатное стекло, которое состоит из диоксида кремния, оксида натрия и оксида кальция.  

Термостойкое  стекло получают, уменьшая содержание оксида натрия и добавляя оксид алюминия или бериллия. В таком стекле коэффициенты теплового расширения ингредиентов настолько согласованы, что растрескивания при нагревании и охлаждении не происходит. Термостойкое стекло применяется для изготовления лабораторной стеклянной аппаратуры, химико-технологических трубопроводов и соответствующего оборудования. Упрочненное стекло можно получить путем быстрого нагрева и охлаждения. Такое стекло хорошо сопротивляется ударному разрушению, а если и разбивается, то, как правило, на мелкие неострые частицы. Все шире применяются автомобильные ветровые стекла из упрочненного стекла. Стойкость стекла к ударам можно еще более повысить, поместив между двумя его слоями тонкий слой пластика. 

В качестве технических  керамик применяются также оксиды металлов. Их пластичность невелика, а  поэтому они используются там, где  исключены удары. Огромные количества керамических материалов потребляются строительной промышленностью в виде кирпича, черепицы и других обожженных изделий.  

6. ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ 

Основные вяжущие  материалы – гипсовый цемент, известь  и портландцемент. 

Гипсовый  цемент. 

Гипсовые цементы  изготавливаются из природного гипсового камня путем дробления, измельчения, обжига в тигельной или непрерывно действующей печи и помола полученного продукта в тонкий порошок. Температура обжига не превышает 190° C, так что дегидратация гипса оказывается неполной. При схватывании гипсового цемента происходит гидратация с возвратом к исходной форме природного гипса (гидратированного сульфата кальция). Гипс – превосходный огнестойкий материал. Под действием огня выделяется гидратационная вода, и поверхность гипса покрывается порошком, защищающим глубинные слои. Стены и потолки помещений часто облицовывают гипсовыми листами. 

Известь. 

Известь выпускается  в двух видах: негашеная и гидратная. Негашеная известь получается обжигом  известняка CaCO3 в непрерывно действующих печах (при температуре 900–1000° C) для удаления диоксида углерода. Гидратная известь Ca(OH)2 производится на заводах путем размельчения комовой негашеной извести, смешивания ее с водой и превращения в сухой хлопьевидный порошок. На строительной площадке негашеную известь необходимо загасить добавлением воды, а затем выдержать (не менее двух недель) перед смешиванием с песком для образования известкового раствора. Гидратную же известь достаточно смешать с песком, чтобы получить раствор. Поскольку она имеет вид порошка, ее легче смешивать с песком. Но раствор из гидратной извести не столь пластичен, как из негашеной. Затвердевание известкового раствора обусловлено поглощением диоксида углерода CO2 из воздуха. При этом избыточная вода испаряется, замещаясь диоксидом углерода, и гидратная известь снова превращается в CaCO3, причем эта реакция протекает только в присутствии избытка влаги. Но известковый раствор не твердеет под водой, так как ему для этого нужен диоксид углерода из воздуха. Раствор для кирпичной кладки содержит около 2,5 части (по объему) песка на 1 часть извести. При производстве штукатурных работ известковый раствор можно наносить на протяжении нескольких дней в три слоя (обрызг, грунт и накрывка), причем последний слой часто делается смесью гидратной извести с гипсовым цементом. 

Портландцемент. 

Изобретение портландцемента  было запатентовано в 1824 Дж.Эспдином, каменщиком из Лидса (Англия), который  дал ему это название, поскольку  цемент походил на природный камень, добывавшийся на о. Портленд. Портландцемент по масштабам своего применения уступает лишь стали. 

Портландцемент  изготавливается совместным тонким измельчением клинкера, гипса и активных добавок. (Клинкер состоит в основном из силикатов кальция и получается обжиганием до спекания сырьевой смеси из известняка и глины.) В работе с портландцементом важное значение имеет проверка качества. Она проводится с образцом чистого цементного теста, помещаемым в автоклав. По увеличению длины образца можно судить о расширении цемента при схватывании. 
 
 
 

Прочные цементы. 

Разработаны цементы, прочность которых выше, чем обычных  гидравлических, в том числе и  портландцементов, и в отдельных  случаях приближается к прочности  керамических материалов. Главным принципом  при их разработке было уменьшение отношения воды к цементу при сохранении необходимой пластичности цементного теста. 

Бетон – один из важнейших строительных материалов. Он получается (формованием с последующим  схватыванием) из смеси вяжущего вещества (цемента) с водой, мелким заполнителем (песком) и крупным заполнителем (обычно гравием, щебнем или другим крупно размолотым материалом). Поскольку бетонная смесь до затвердевания имеет тестообразный характер, бетон пригоден для изготовления конструкций разного типа, но форма (опалубка) не должна удаляться до полного схватывания смеси. В тех случаях, когда возможны растягивающие или изгибающие напряжения, бетон армируют сталью. Таким образом, бывает неармированный бетон, железобетон, бетон с волокнистым заполнителем (фибробетон) и предварительно напряженный бетон. Он может быть изготовлен с одним из пяти типов цемента: тип I – цемент общего назначения (обычный портландцемент); тип II – модифицированный портландцемент, умеренно сульфатостойкий для сооружений в грунте; тип III – быстротвердеющий; тип IV – с низкой экзотермией; тип V – сульфатостойкий для неблагоприятных грунтовых условий. 

Торкрет-бетон. 

При помощи т.н. цемент-пушки раствор и бетонная смесь разбрызгиваются под давлением  сжатого воздуха на поверхность  конструкций и сооружений в виде торкрет-бетона. Цемент-пушка непрерывно загружается сухой смесью песка и цемента; дальность подачи раствора по горизонтали достигает 70 м. Торкрет-бетон отличается высокой плотностью и водонепроницаемостью; он применяется при возведении ответственных тонкостенных железобетонных конструкций, ремонте и усилении конструкций, устройстве покрытий и водонепроницаемых обделок (например, тоннелей). 

Декоративный  бетон. 

Для декоративной отделки в бетон вводят окрашивающий заполнитель – молотый мрамор или молотое стекло. Терраццо – это декоративный бетон из цветных цементов и дробленого мрамора, формуемый на месте в стенах и особенно в полу. Из декоративного бетона можно изготавливать облицовочные детали любой формы и любых размеров, чем они выгодно отличаются от изделий из керамики и естественного камня. 

Бетон с воздухововлекающими  добавками. 

Вовлечение воздуха  повышает долговечность бетона, в  частности его стойкость к  замерзанию-оттаиванию и крошению. Это особенно важно для дорожных покрытий и панельных конструкций, подвергающихся воздействию неблагоприятных погодных условий. Промышленность выпускает много различных воздухововлекающих добавок, а также воздухововлекающий цемент. 

Тяжелый бетон. 

Тяжелый бетон  применяется в качестве биологической  защиты от гамма-излучения ядерных реакторов. Из такого бетона выполняются, например, стены, окружающие активную зону реактора. Для тяжелого бетона используются заполнители с высокой относительной плотностью (вплоть до стальных отходов штамповки с магнетитом) и цемент, не вовлекающий воздуха, причем обязательно производится виброуплотнение бетонной смеси после укладки. 

Специальные бетоны. 

Поскольку прочность  на растяжение обычного бетона значительно  меньше, чем на сжатие, разработан фибробетон – бетон с волокнистым заполнителем. При его изготовлении в бетоносмеситель вводится стальное, углеродное, стеклянное, асбестовое, полипропиленовое или бамбуковое волокно. Волокно повышает прочность бетона на растяжение и на изгиб, а также ударную прочность. К специальным бетонам относятся также бетоны, пропитываемые полимером после удаления влаги (с последующим отверждением), получаемые добавлением мономера или полимера в бетоносмеситель, и бетоны с полной заменой цемента полимером. Они применяются для ямочного ремонта и нанесения покрытий. 

Предварительно напряженный железобетон.

В предварительно напряженном железобетоне растягивающие  напряжения от нагрузки устраняются  путем предварительного создания напряжений сжатия. При изготовлении железобетона прокладывается арматура из стали с  высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается механическим устройством и заливается бетонной смесью. После схватывания сила предварительного натяжения освобожденной стальной проволоки или троса передается окружающему бетону, так что он оказывается сжатым. Предварительное напряжение железобетона может производиться не только до, но и после схватывания бетонной смеси. 
 
 

7. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

К ним относятся  материалы, используемые для сохранения тепла, предотвращающие конденсацию  на трубах и защищающие стальные конструкции от огня. В теплоизолированном здании летом прохладнее, а зимой теплее, чем в здании без теплоизоляции. Теплоизоляция обеспечивает более равномерное распределение температуры в зданиях, камерах холодильного хранения, топках и печах. 

В качестве низкотемпературных (ниже 100° C) теплоизоляционных материалов для зданий, горячих водяных труб и холодильных камер используются минеральная вата и такие органические материалы, как пробковый лист, обработанное древесное волокно, войлок, пеностекло и др. Минеральная вата состоит из волокон, получаемых продуванием водяного пара через расплавы доменного шлака, горных пород или стекла. Ее можно укладывать навалом между стойками каркасного здания или в виде матов, обшитых огнестойким полотном. Минеральная вата выдерживает температуру до 800° C. Органические материалы – хорошие теплоизоляторы, но требуют обработки антипиринами, предотвращающими их воспламенение и самостоятельное горение. 

Для теплоизоляции  низкотемпературных печей и паровых  труб (от 100 до 540° C) применяются минеральная вата, асбест и диатомитовая земля. Ниже 300° C используется смесь оксида магния с асбестовым волокном. 

Высокотемпературные топки и обжиговые печи (750–900°  C) теплоизолируются блоками из глины и диатомитовой земли. Выше 900° C применяются огнеупорные материалы, а некоторые виды керамического волокна, укладываемого навалом, в матах, блоками или листами, выдерживают температуру до 1200° C.  
 

8. Заключение 

Конструкционные материалы постепенно занимает все  большее место в нашей жизни. Области применения конструкционных материалов многочисленны: авиационно-космическая, ракетная, энергетическое турбостроение, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего. 
 
 
 

Список  литературы 

1. Рыбьев И.А. и др. Общий курс строительных материалов. М., 1987

Технология металлов и конструкционные материалы. М., 1989

2. Любарский А.Д. Технология и организация строительного производства. М., 1991