Общие сведения о металлах и их видах
Металлами называют вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим.
Металлические элементы составляют почти 3/4 всех существующих в природе элементов, но не все находят широкое применение в строительстве. Некоторые из них встречаются очень редко. Из наиболее ценных и важных для техники и строительства металлов лишь немногие содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий, железо, магний, титан и др. В строительстве металлы применяются в виде металлопроката и металлических изделий.
Металлы, применяемые в строительстве, делят на две группы — черные и цветные.
Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.
Чугун — железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2–4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, чугуны передельные и чугуны специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных строительных деталей; предельные — используют для производства стали; специальные чугуны — в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения.
Сталь — ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2%. В зависимости от способа получения стали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали. По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на спокойную, полуспокойную и кипящую. Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др.).
По назначению стали могут быть конструкционные, применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, специальные, характеризующиеся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью, и инструментальные.
Цветные металлы в чистом виде весьма редко используют в строительстве. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.
Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-марганцевые, алюминиево-кремнеземистые, алюминиево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (фермы и др.) и ограждающих (оконные переплеты и др.) конструкций зданий и сооружений.
Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком). Из этих сплавов изготовляют архитектурные детали и санитарно-техническую арматуру.
Изделия из чугуна
Свойства и марки чугуна. В зависимости от содержания примесей и скорости охлаждения получают два основных вида чугуна: белый и серый. Эти наименования соответствуют цвету чугуна. Белый имеет высокую твердость, но весьма хрупок; его применяют для получения ковкого чугуна и стали. Серый чугун в расплавленном состоянии обладает хорошей текучестью и легко заполняет формы, дает малую усадку при затвердении, а также легко поддается механической обработке. Серый чугун используют для литья разнообразных строительных изделий и маркируют буквами СЧ, например СЧ12-28, СЧ18-36, СЧ28-48 и СЧ32-52. Первая цифра марки показывает допустимый предел прочности при растяжении, вторая — предел прочности при изгибе (в кгс/мм2). Серый чугун, используемый для отливки изделий, работающих главным образом на сжатие (колонны, опорные подушки, канализационные трубы, тюбинги и др.), характеризуется пределом прочности при растяжении 120–210 и при изгибе 280–400 МПа.
Чугунные изделия. В современном гражданском, промышленном, сельскохозяйственном и транспортном строительстве широко используют чугунные изделия. Среди них в первую очередь следует назвать санитарно-технические изделия и оборудование, например отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили. Чугунные трубы применяют для стояков санитарно-технических кабин, канализационных сетей, для отвода промышленных вод и т. д.
Чугунные литые изделия изготовляют различными способами, среди которых наиболее простым является литье в формы. Прогрессивные способы литья чугуна — под давлением и центробежный. Из серого чугуна путем отливки получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие: колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т. п. Его используют для литья труб печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники), а также арматурно-художественных изделий.
Виды и свойства сталей
Стали для строительных конструкций разделяют на виды и маркируют условными обозначениями, в которых отражается состав и назначение стали, механические и химические свойства, способы изготовления и раскисления.
Маркировка сталей. По стандарту марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, которые показывают содержание углерода в сотых долях процента (0,8; 25 и т. д.). В обозначение марок кипящей стали добавляют “кп”, полуспокойной — “пс”, спокойной — “сп”, например Ст3сп, Ст5пс, Ст2кп.
В отличие от маркировки углеродистых сталей буквы в марке низколегированных сталей показывают наличие в стали легирующих примесей, а цифры — их среднее содержание в процентах; предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Для маркировки стали каждому легирующему элементу присвоена определенная буква: кремний — С, марганец — Г, хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, алюминий — Ю, медь — Д, кобальт — К. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и последующими цифрами — его среднее содержание, например сталь 3X13 содержит 0,3% — С и 13% — Сr, марки 2Х17Н2 — 0,2% — С, 17% — Сr и 2% — Ni.
Углеродистые стали. Сталь углеродистая обыкновенного качества — сплав железа с углеродом. В ее составе также присутствуют в небольшом количестве примеси: кремний, марганец, фосфор и сера, каждая из которых оказывает определенное влияние на механические свойства стали. В сталях обыкновенного качества, применяемых в строительстве, углерода содержится 0,06–0,62%. Стали с низким содержанием углерода характеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придает стали хрупкость и твердость.
Наиболее широко в строительстве используют сталь марки Ст3, которая идет на изготовление металлических конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений, опор линии электропередач, резервуаров и трубопроводов, а также арматуры железобетона.
Легированные стали. Низколегированные стали наиболее часто применяют в строительстве. Содержание углерода в низколегированных сталях не должно превышать 0,2%, при большем количестве понижаются пластичность и коррозионная стойкость, а также ухудшается свариваемость стали. Легирующие добавки влияют на свойства стали следующим образом: марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость; медь — стойкость стали к атмосферной коррозии; никель способствует улучшению вязкости без снижения прочности. Низколегированные стали имеют более высокие механические свойства, чем малоуглеродистые. Стали, содержащие никель, хром и медь, высокопластичны, хорошо свариваются, их с успехом используют для сварных и клепаных конструкций промышленных и гражданских зданий, пролетных строений мостов, нефтерезервуаров, труб и т. д.
Изделия из стали
Металлообрабатывающая промышленность выпускает обширную номенклатуру различных стальных изделий.
Профильную сталь применяют для изготовления при помощи сварки или клепки разнообразных стальных строительных конструкций (каркасы и фермы промышленных и гражданских зданий, пролетные строения мостов, опоры ЛЭП, фонари освещения зданий и т. д.). Кроме того, из прокатной и штампованной стали специальных профилей выполняют оконные переплеты промышленных и общественных зданий.
Прокатную сталь квадратного сечения, а также полосовую сталь используют в строительстве для различных целей. Круглую сталь, в основном, употребляют в качестве арматуры для железобетона.
Прокатная листовая сталь имеет ряд разновидностей: прокатная толстолистовая шириной 600–3800 и толщиной 4–160 мм; прокатная тонколистовая шириной 600–1400 и толщиной 0,5–4 мм; листовая кровельная, в том числе оцинкованная, шириной 510–1500 и толщиной 0,5–2 мм, а также листовая волнистая и рифленая.
Прокатную сталь для шпунтованных свай выпускают разнообразных профилей; ее применяют для гидротехнического строительства.
Стальные трубы цельнотянутые и сварные 059–1620 мм используют для магистральных газо- и нефтепроводов, водоснабжения, отопления и других целей.
Мелкие стальные изделия в виде болтов, гаек, шайб, заклепок широко применяют при изготовлении из прокатных стальных профилей разнообразных строительных конструкций. Любое строительство в настоящее время не обходится без стальных крепежных изделий — шурупов, винтов, гвоздей, скоб, а также без скобяных изделий, необходимых для комплектации дверных и оконных блоков, санитарно-технических кабин (петли, ручки, замки и др.).
Рис. 15.1. Стальная арматура для железобетона:
а, б — горячекатаные стержни периодического профиля; в — холоднотянутая профилированная проволока; г — арматурная сетка; д — арматурный каркас.
Стальная арматура. Большое количество стали используют в качестве арматуры в железобетоне. В среднем для получения 1 м3 железобетона требуется 50–100 кг стали. Для армирования железобетона используют стальные стержни и проволоку как непосредственно, так и в виде сеток и каркасов, изготовляемых в основном заводским методом.
В зависимости от условий применения арматуру подразделяют на ненапрягаемую, используемую для обычного армирования, и напрягаемую, используемую в предварительно напряженном железобетоне.
Стержневая арматурная сталь представляет собой горячекатаные стержни диаметром 06–80 мм. В зависимости от марки стали и соответственно от физико-механических показателей стержневая арматура делится на шесть классов. С повышением класса увеличивается предел прочности и снижается относительное удлинение при разрыве арматурной стали.
В зависимости от механических свойств стержневую арматуру разделяют на классы с условным обозначением А. Условные обозначения классов горячекатаной арматурной стали: А-1, А-2, А-3, А-4 и др. При обозначении класса термически упрочненной арматурной стали к индексу “А” добавляют индекс “т”, например Ат-3. Сталь, упрочненную вытяжкой, обозначают по классу исходной горячекатаной стали, но при этом добавляют еще индекс “в”, например Ав-3.
Арматурные стержни класса А-1 — гладкие, А-2–А-6 — периодического профиля (рис. 15.1 а, б), что улучшает их сцепление с бетоном. Стержневую арматуру диаметром более 10 мм поставляют в виде прутков длиной от 6 до 18 м; диаметром 6–9 мм (называемую катанкой) — в бухтах и выпрямляют в стержни на месте применения.
Стальную арматурную проволоку изготовляют двух классов: В-1 — из низкоуглеродистой стали (предел прочности 550–580 МПа) и В-2 — из высокоуглеродистой или легированной стали (предел прочности 1300–1900 МПа).
Проволока класса В-1 предназначена для армирования бетона без предварительного напряжения, В-2 — для предварительного напряженного армирования. Если на проволоке делают рифления для улучшения сцепления с бетоном (рис. 15.1 в), то в обозначении добавляют букву “р” (например Вр-1 или Вр-2).
Из стальной арматурной стали изготовляют также арматурные сетки и каркасы (рис. 15.1 г, д), нераскручивающиеся пряди (трех-, семи- и двенадцатипроволочные) марок П-3, П-7 и П-12 и стальные канаты. Канаты и пряди используют для напряженной арматуры.
Арматурную сталь необходимо хранить в закрытых помещениях или под навесом на стеллажах раздельно по видам и маркам стали, а также по диаметрам. При этом рекомендуется следить за сохранностью на торцах стальных стержней разных марок меток, сделанных несмываемыми красками, за сохранностью заводских бирок, прикрепленных к пучкам, пакетам и моткам арматурной стали. При хранении арматурной стали необходимо предохранять ее от загрязнения и коррозии.