Область применения металлов в строительстве

Обновлено: 19.05.2024

Металлические конструкции, металлоконструкции, общее название конструкций, выполненных из металлов и применяемых в строительстве. Современные М. к. подразделяются на стальные и из лёгких сплавов (например, алюминиевых сплавов). До начала 20 в. в строительстве применялись в основном металлические строительные конструкции из чугуна (главным образом в колоннах, балках, лестницах и т.д.В современном строительстве получили распространение стальные конструкции, используемые в несущих каркасах промышленных сооружений, жилых и общественных зданий, в пролётных строениях мостов, каркасах доменных печей, газгольдерах, резервуарах, мачтах, опорах линий электропередачи и др. Конструкции из алюминиевых сплавов,. обладающие рядом достоинств (лёгкость, коррозионная стойкость, технологичность, высокие декоративные свойства), наиболее широко применяются в качестве ограждающих элементов и в виде отделочных деталей зданий. М. к. изготовляются преимущественно из профилированного и листового металла. По характеру соединения элементов между собой различают М. к. сварные, клёпаные и с болтовыми соединениями. В машиностроении обычно под М. к. подразумеваются детали, изготовленные из профилированного металла, в отличие от литых деталей и поковок.

Достоинства:

- Надежность – близкое соответствие характеристик стали нашим представлениям об идеальном упругом и упругопластическом изотропном материале, при некотором значении напряжений может быть реализована идеальная пластичность в виде площадки текучести;

- лёгкость (Р=7,85 тс/м^3);

- непроницаемость для газов и жидкостей – высокая плотность (плотность стали и ее соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления резервуаров, газгольдеров, трубопроводов, различных сосудов и аппаратов);

- индустриальность (заводское изготовление 90-95%, оснащенных специальным оборудованием, а монтаж производят с использованием высокопроизводительной техники) – исключает или до минимума сокращает тяжелый ручной труд;

- ремонтопригодность (простота технического перевооружения, ремонта и реконструкции) – просто решаются вопросы усиления, технического перевооружения и реконструкции;

- сохранность металлического фонда – в результате физического и морального износа изымаются из эксплуатации, переплавляются и снова используются в народном хозяйстве;

Недостатки:

Подверженность коррозии, малая огнестойкость (сталь начинает терять свою устойчивость при 200 о С, полностью теряет и начинает течь при 625 о С), дефицитность, и высокая стоимость.

Область применения

Использование металлических конструкций по назначению и виду конструктивной формы разделяются на восемь пунктов.

1. Листовые конструкции в виде бункеров, трубопроводов большого диаметра, резервуаров, различных сооружений доменного комплекса и газгольдеров, нефтепереработки и химического производства

2. Мосты, эстакады.. Мосты, как и большепролетные покрытия, имеют различные системы: арочную , висячую , балочную , комбинированную.

3. Промышленные здания. Конструкции одноэтажных промышленных зданий выполняются в виде смешанных каркасов или цельнометаллических

4. Большепролетные покрытия зданий. Здания общественного назначения [спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны], театры и здания производственного характера (авиасборочные цехи, лаборатории, ангары) имеют большие пролеты (до 100-150 м)

5. Крановые и другие подвижные конструкции. Сюда относятся всевозможные металлические конструкции башенных, мостовых , козловых кранов и кранов-перегружателей, конструкций крупных экскаваторов и разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений, конструкции отвальных мостов.

6. Каркасы многоэтажных зданий

7. Башни и мачты применяются для радиосвязи и телевидения, в геодезической службе, в опорах линий электропередачи. Сюда же можно отнести дымовые и вентиляционные трубы, нефтяные вышки, промышленные этажерки и надшахтные копры.

8. Прочие конструкции, которым в первую очередь можно отнести конструкции промышленности по применению атомной энергии во благо человечества, разнообразные конструкции радиотелескопов, лыжные трамплины и многие другие.

Материалы для металлических конструкций. Основные свойства сталей.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки. Углерод увеличивает прочность сплава, но понижает свариваемость. В строительных сталях содержание углерода не более 0,22%.

Достоинства – сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, однородность механических свойств. Недостатки – относительно низкая коррозионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от коррозии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость.

Служебные свойства стали.

Надёжность и долговечность во многом зависит от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются свойства: прочность, упругость, пластичность, хладостойкость, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность – сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность - свойство материала сохранять несущую способность в процессе деформирования (остаточные деформации без разрушения). Хрупкость - склонность к разрушению при малых деформациях. Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твёрдость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него более твёрдого материала.

Основные прочностные характеристики – временное сопротивление Ϭ_u (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца) и предел текучести Ϭ_y (напряжение, которое соответствует остаточному относительному удлинению после разгрузки, равному 0,2%. Для сталей, не имеющих площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести). Вообще в лекциях сказано, что площадка текучести имеются только у малоуглеродистых сталей.

Упругие свойства материала характеризуют модулем упругостиE=tgα=2,06*10 4 кН/см 2 (α – угол наклона начального участка диаграммы работы стали к оси абсцисс) и пределом упругости Ϭ_с, т.е. таким максимальным напряжением, после снятия которого остаточные деформации отсутствуют.

Технологические свойства стали: свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старении, технологичность

Применение металлов в строительстве

Металлообрабатывающая промышленность выпускает широкий ассортимент металлических изделий. К ним относятся трубы медные, стальные, алюминиевые и из алюминиевых сплавов; мелкие стальные изделия в виде болтов, гаек, шайб, заклепок; прокатная угловая сталь (уголки, швеллеры, двутавры); прокат стальной тонколистовой, рулонный (толщиной от 0,5 до 1,2 мм) с защитно-декоративным полимерным покрытием для холодного изготовления строительных конструкций; стальные листовые профили из холоднокатанного проката оцинкованные с алюмоцинковым или алюмокремниевым покрытием для кровельного настила (Н), настила и стеновых ограждений (НС) и только стеновых ограждений (С); прокатная листовая кровельная сталь, в том числе оцинкованная; прокатная круглая сталь, используемая в качестве арматуры для железобетонных конструкций (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Сортамент прокатных сталей:

а – равнобокий уголок; б – неравнобокий уголок; в – швеллер; г – двутар;
д – подкрановый рельс; е – круглая; ж – квадратная; з – полосовая; и – шпунтовая свая;
к – листовая; л – рифленая; м – волнистая

Арматуройназывают стальные стержни различной формы, сетки и объемные каркасы из них (рис. 3.6). Арматуру применяют при изготовлении железобетонных изделий и конструкций с целью повышения их прочности на изгиб и растяжение. Арматурную сталь классифицируют по способу изготовления, профилю стержней и применению. Поспособу изготовления арматурная сталь бывает стержневой (А) и проволочной (В), в зависимости от характера ее поверхности – гладкой и периодического профиля. Поназначению арматурную сталь подразделяют на ненапрягаемую, применяемую для изготовления обычного железобетона, и напрягаемую, используемую при производстве преднапряженных железобетонных конструкций. Стержневую арматуруизготавливают из углеродистой и низколегированной стали, еевыпускают горячекатаной обычной, упрочненной вытяжкой в холодном состоянии, и термически упрочненной. В зависимости от предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения после разрыва стержневую арматуру подразделяют на классы. Каждому классу соответствует определенный цвет масляной краски, которой окрашивают концы стержней. Из стержней методом сварки получают арматурные каркасы плоские и пространственные. В качестве ненапрягаемой арматуры применяют стержневую арматуру диаметром до 10 мм и обыкновенную арматурную проволоку периодического профиля; в предварительно напряженных конструкциях – горячекатанную и термомеханически упрочненную стержневую арматуру, высокопрочную арматурную проволоку и арматурные канаты. Проволочную арматурудиаметром от 3 до 8 мм изготавливают способом холодного волочения и подразделяют на гладкую (В) и периодического профиля (Вр). Ее используют для получения арматурных канатов (К) и сварных арматурных сеток, которые могут быть рулонными и плоскими. Канаты испытывают на растяжение, проволоку – на растяжение и перегиб. Для изготовления монтажных петель, используемых при подъеме и перемещении крупноразмерных конструкций, применяют горячекатанную арматурную сталь, для закладных деталей и соединительных накладок – прокатную углеродистую сталь.

Рис. 3.6. Виды арматурной стали:

а – гладкая стержневая; б – горячекатанная периодического профиля класса А-II;
в – то же класса А-III; г – холодносплющенная с четырех сторон;
д – то же с двух сторон; е – витая

Широкое применение нашли металлы при выполнении подвесных потолковв зданиях промышленного и общественного назначения. Для несущего каркаса используют гнутые реечные или прессованные профили, из алюминиевых сплавов или стали, защищенной антикоррозионным покрытием. Лицевые элементы, которые обеспечивают потолку декоративность и акустические свойства, представляют собой листовую сталь или листы из алюминиевых сплавов, которые могут быть плоскими, объемными, гладкими и гофрированными, с перфорацией и без нее.

С целью повышения износостойкости полов в производственных помещениях, где их поверхность подвергается механическим воздействиям транспорта, верхнее покрытие выполняют из металлоцементного состава, содержащего цемент, воду и дробленую стальную обезжиренную стружку. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки, для покрытияиспользуют гладкие и рифленые чугунные дырчатые и стальные штампованные плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены также для горячих цехов (кузнечных, сталеплавильных, литейных, прокатных), где их применяют в зонах нагрева пола до 1000 –1400 °С (остывание на полу раскаленных металлических болванок и деталей, попадание расплавленного металла в виде брызг).

Для наружной отделки фасадовзданий все чаще применяют двух- и трехслойные панели и блоки, лицевая отделка которых выполнена из стального листа, защищенного антикоррозионной краской, оцинкованной стали с пластиковым покрытием или листов профилированного алюминия. Применение этих крупноразмерных материалов не только улучшает внешний вид зданий, повышает их долговечность, но и обеспечивает надежную теплоизоляцию, так как внутренний слой представляет собой пористый полимерный материал.

Практикой строительства доказана эффективность использования для ограждающих конструкций(наружные стеновые панели, плиты покрытия) двух- и трехслойных панелей типа «сэндвич». В них внутренний и наружный слои выполнены из листов оцинкованной стали или алюминиевых сплавов, между которыми расположен плитный утеплитель.

Для выполнения кровлив жилых зданиях применяют тонколистовую кровельную, оцинкованную сталь и металлочерепицу, промышленных – профилированный стальной оцинкованный настил. Металлочерепица представляет собой гофрированные стальные листы, реже – алюминиевые толщиной около 0,5 мм с защитным и декоративным полимерными покрытиями (полиэстер, пластизоль и др.). В зависимости от геометрии профиля выпускают изделия различного цвета с торговыми названиями «Монтерей», «Каскад» и др. площадью 8 – 10 кв.м или в виде мелкоштучных изделий площадью около 0,5 кв.м.

Алюминиевую фольгу используют при изготовлении таких рулонных кровельных материалов, как фольгоизол, фольгобитеп, фольгорубероид, которые обладают повышенной прочностью и огнестойкостью. Для устройства монтируемой гидроизоляцииподземных конструкций используют листовую низколегированную нержавеющую сталь.

Рулонную алюминиевую фольгу в сочетании с плитным или рулонным высокопористым материалом применяют для теплоизоляциистроительных конструкций, трубопроводов технологического оборудования. Алюминиевую пудру используют в качестве пигмента для получения серебряной краски и как газообразующую добавку при производстве ячеистого бетона. Применение металлов в строительстве представлено в табл. 3.4.

Металл в строительстве: от меди до стали

Периодическая система элементов Менделеева насчитывает 82 металла, многие из которых, благодаря своим уникальным свойствам, находят применение в строительстве. Но если когда-то металл использовался, в основном, для изготовления кровельных покрытий и отдельных элементов крепежа, то по мере развития технологий его значимость для стройиндустрии становится все выше. Например, можно смело утверждать, что сегодня стальные конструкции являются основой любой капитальной постройки. Совершив небольшой экскурс, можно проследить эволюцию металла в строительстве.

Исторический экскурс

Это очень прочный металл, благодаря формированию голубовато-зелёной патины слабо подверженный коррозии, а потому способный служить долго. В качестве кровельного материала листовую медь использовали потому, что она легче деревянной черепицы и уж тем более — глиняной черепицы или свинца. Немаловажно также и то, что медь достаточно легко гнётся, что позволяло использовать ее для облицовки куполов и других фигурных элементов, которыми обычно украшали кровли культовых построек.

Помимо кровли медь издавна используется ещё и в декоративных целях, а также как материал для создания памятников и монументов. В частности, именно она послужила основным материалом для Статуи Свободы. Медные сплавы, широко используемые в архитектуре — это бронза (сплав меди и олова) и латунь (сплав меди и цинка).

К недостаткам меди можно отнести её крайне высокую стоимость, которая растёт год от года, а также свойство со временем терять свой первозданный яркий цвет и характерный блеск: покрываясь патиной, медь стремительно тускнеет и приобретает характерный зелёный оттенок.

Забегая немного вперёд, можно отметить, что решение «медной проблемы» в наши дни найдено: натуральный металл сегодня всё чаще заменяют достоверной имитацией из стали с полимерным покрытием, о которой пойдет речь чуть позже. Например, сталь с двусторонним покрытием Agneta, в точности имитирующим цвет и блеск меди благодаря включённым в состав красителя микросферам, втрое дешевле своего прообраза, но при этом не теряет внешней привлекательности в течение всего срока эксплуатации.

Свинец — ещё один «долгожитель» строительной отрасли. Его широчайшее применение в прошлом было обусловлено прежде всего низкой температурой плавления. Вплоть до конца XIX века из свинца изготавливали водопроводные трубы, пока не стало известно, что это негативно отражается на здоровье людей. Как и медь, свинец на протяжении многих веков был популярным кровельным материалом и одновременно использовался для изготовления водосточных желобов, труб и дымоходов. Правда, из-за своего большого веса свинец лучше всего подходил для низкоскатных крыш, поскольку с крутых со временем неизбежно начинал сползать. Кроме того, свинцовые кровли были не в фаворе в регионах с большими перепадами температур, поскольку быстро приходили в негодность из-за существенных температурных деформаций, которым подвержен этот металл.

Ещё одна ипостась свинца — изготовление красок на его основе: сурик (красный) применялся как антикоррозионный пигмент для железа, а свинцовые белила — для покраски деревянных домов. Эти краски считались одними из самых стойких и долговечных и всегда использовались в качестве защитных покрытий. Однако со временем их применение было приостановлено в связи с распространением случаев отравления свинцом.

Терн, или «тернплате» — ещё один материал, вошедший в строительный обиход начиная с XIX века. Это были стальные или железные листы, покрытые свинцово-оловянным сплавом, которые часто путали с белой жестью.

Олово само по себе в чистом виде никогда не применялось в архитектуре. Обычно его использовали в сплавах, например, с медью для образования бронзы, а также для покрытия более жёстких металлов, например, лужёного железа или стали: при покрытии листового железа оловом как раз и получалась жесть. Из неё обычно делали броню, но иногда использовали и как кровельное покрытие. В конце XIX века в моде были потолки из рельефной металлической плитки, называвшиеся «оловянными», хотя на самом деле они чаще всего изготовлялись из крашеного листового железа или стали.

Никель находится в сходном положении с оловом: он периодически использовался в качестве гальванического покрытия архитектурных деталей. А вот в создании сплавов никель занимает, пожалуй, лидирующее место на фоне остальных металлов. Благодаря ему мы имеем нейзильбер, монель-металл и нержавеющую сталь. Вплоть до Первой мировой войны нейзильбер называли «немецким серебром», но затем он стал более известен как «белая латунь», хотя правильнее было бы именовать его «никелевой латунью», так как в классическом варианте этот сплав состоит из 75% меди, 20% никеля и 5% цинка. Разное процентное соотношение даёт разные цвета: серебристо-белый, жёлтый, голубоватый, зелёный или розовый. Изделия из нейзильбера были неизменными атрибутами стиля арт-деко.

Монель-металл представляет собой сплав из двух третей никеля и трети меди, а по цвету он похож на платину. Определённым показателем его успешности можно считать тот факт, что в 1936 году медная кровля Нью-Йоркской городской публичной библиотеки на пересечении Пятой авеню и 42-й улицы была заменена на монельную. Удобство работы с монель-металлом заключалось в том, что его можно было варить и паять прямо на месте строительных работ, что позволяло создать сплошную водонепроницаемую поверхность кровли. Во время Второй мировой войны большое количество никеля и меди шло на военные нужды, в связи с чем производство монеля значительно сократилось. А после войны ему на смену пришли нержавеющая сталь и алюминий, имеющие более низкую себестоимость.

Цинк в чистом виде использовался как кровельное покрытие в Бельгии, Франции и Германии, где он заменил более дорогие медь и свинец. Начиная с 1820-х годов бельгийский цинковый лист стали импортировать в Америку. Что касается антикоррозионного цинкования, то эта технология была запатентована в 1837 году независимо друг от друга Сорелем во Франции и Крауфордом в Англии. Метод представлял собой процесс «горячего погружения» с целью покрытия железа цинком. Новинка довольно быстро перебралась за океан: Торговая биржа на Манхеттене стала одним из первых зданий, имевших оцинкованную крышу и водостоки.

Свою нишу цинк занял также в области изготовления декоративных элементов благодаря пластичности и приемлемой цене, дававшими ему преимущества по сравнению с камнем. Изделия из цинка легко поддавались покраске, что позволяло имитировать более дорогие металлы. Кстати о красках: в отличие от свинца. краски на основе цинка не токсичны и устойчивы к загрязнению. Они имели коммерческий успех, начиная с 1850-х, а в 1870-х начали использоваться повсеместно. Дополнительным преимуществом было то, что цинковые красители являлись хорошими ингибиторами ржавчины на железе и стали.

Алюминий был недоступен по разумной цене и в достаточных количествах вплоть до начала XX века. Затем он постепенно стал входить в архитектуру, правда, сначала только как материал для изготовления декоративных элементов. Первым громким выходом алюминия на большую строительную арену следует считать Эмпайр Стейт Билдинг, строительство которого было завершено в 1931 году. На долю алюминия пришлась значительная часть элементов отделки небоскрёба, таких как декоративные панно, входной комплекс, двери лифта. Кроме того, наряду со сталью алюминий был использован в несущих конструкциях здания и для облицовки его фасада.

К недостаткам алюминия следует отнести небольшую жесткость (втрое меньше, чем у стали), высокую теплопроводность и низкую температуру плавления (примерно 660°C). Первое свойство заставляет увеличивать площадь сечения алюминиевых конструкций, а в сочетании со вторым делает их источником теплопотерь здания. Например, вентилируемые фасады на алюминиевой подконструкции существенно уступают стальным по показателям теплоизоляции, не давая при этом существенного выигрыша в весе. Третье свойство негативно отражается на пожарной безопасности построек.

Король среди стройматериалов

Железо в архитектуре встречается в четырёх широко распространённых формах: кованое железо, чугун, листовое железо и сталь. «Чугун был главным строительным материалом XIX века — века промышленной революции. Он часто использовался для конструктивных решений: например, для изготовления колонн, фасадов или куполов. Также из чугуна делали лестницы, лифты, решётки, веранды, балконы, перила, заборы, фонари и даже надгробья», — рассказывает архитектор Анисия Борознова. На сегодняшний день чугун используется в основном для изготовления труб и сантехнической арматуры, хотя иногда к его помощи прибегают с целью подражания стилю прежних эпох.

Наиболее подробно имеет смысл говорить о стали. Именно появление конструкционной стали в середине XIX века сделало возможным строительство высотных зданий. Произошло это благодаря исследованиям английского изобретателя Генри Бессемера, пришедшего к идее передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха. Чуть позже была разработана мартеновская печь, которая позволила ускорить процесс и снизить себестоимость получаемого материала. Мосты, железнодорожные комплексы и небоскрёбы были первыми крупномасштабными объектами из конструкционной стали.

Ещё один материал, выведший строительные технологии на новый уровень, был разработан также в конце XIX века. Добавление стальной проволоки в бетон дало рождение железобетону, который вряд ли нуждается в специальном представлении.

В начале XX века появились нержавеющие стали с различными примесями, и их главным достоинством стала устойчивость к коррозии. Одним из памятников этой эпохи является здание корпорации Chrysler, построенное по проекту архитектора Уильяма Ван Элена и признанное самым красивым небоскрёбом Нью-Йорка.

Сегодня практически все капитальные здания построены либо из железобетонных, либо на стальном несущем каркасе. Последнее относится и к так называемым быстровозводимым зданиями, которые практически полностью вытеснили сегодня любые другие строительные технологии из коммерческого и промышленного строительства.

Следующим значимым этапом в развитии строительных технологий стало появление системы навесных вентилируемых фасадов (НВФ) в 40-х годах XX века в странах Скандинавии и затем распространившееся оттуда в Европу и Америку. Подконструкция вентфасадов чаще всего изготовлялась из стали, чуть реже — из алюминия (о недостатках этого решения мы уже говорили). Затем на неё крепилась облицовка, а на несущую стену под ней — утеплитель, с соблюдением обязательного воздушного зазора.

На первых порах в качестве облицовочных материалов использовали всё подряд, особенно когда дело касалось бюджетного частного домостроения. Со временем доминирующие позиции на рынке фасадных облицовок начали занимать дешевый керамогранит и легкие алюминиевые композитные панели. Однако помимо очевидных преимуществ эти решения имеют и серьезные недостатки.

Так, керамогранитные фасадные плитки массивны, хрупки, и при всем этом отличаются самым ненадежным среди всех облицовочных материалов способом крепления — на кляммеры (защелки). Любое нарушение технологии монтажа, особенно на высотных зданиях, может сделать керамогранитный фасад небезопасным, а целесообразность его использования в сейсмоопасных районах опровергается повседневной практикой.

Что касается композитных панелей, то выбирать их нужно с осторожностью, потому что не любой их тип соответствует требованиям пожарной безопасности для жилищного и гражданского строительства.

Однако с появлением и развитием технологии полимерного покрытия листовой стали популярным до последнего времени фасадным решениям появилась достойная альтернатива: стальные облицовки доказали своё явное преимущество перед другими решениями и начали постепенно вытеснять их с рынка. Технологичность, простота монтажа, энергоэффективность и долговечность НВФ со стальной облицовкой в сочетании с привлекательным внешним видом и множеством цветовых вариаций пленили сердца архитекторов и строителей.

Иногда в адрес стальных облицовок можно услышать нарекания. Например, экономичные варианты, такие как линеарные панели, ввиду небольшой толщины металла и упрощённой технологии формования не обеспечивают безупречной геометрии фасадных элементов, а потому не очень подходят для серьёзного городского строительства. Относящиеся же к среднему ценовому сегменту фасадные кассеты, лишённые означенных недостатков, не всегда вписываются в имеющийся бюджет, например, в рамках муниципальных программ реконструкции жилых зданий.

Любопытно отметить небольшую лексическую трансформацию, которая происходит прямо у нас на глазах. Слово «металл» всё чаще используется как синоним «стали», ведь это именно её по праву можно назвать металлом нового времени. Из стали стало возможным создать любой элемент здания: фундамент, несущие конструкции, облицовку, кровлю, декор, мебель. Если провозгласить металл королём среди стройматериалов, то его корона наверняка будет сделана из стали.

Применение металлических изделий в строительстве

Применение металлических изделий в строительстве сейчас развито на очень высоком уровне. Без этих изделий тяжело создавать прочные и надежные конструкции. Например, металлы очень активно используются для создания каркасов гражданских, промышленных и прочих зданий, во время обустройства конструкций ограждающего типа, мостов, кровельных покрытий и многого другого. Активней всего в данной сфере используется сталь, потому что обычно обладает неплохой защитой от коррозийных процессов.

Особенности использования металлов в строительстве

В промышленном строительстве очень часто используется цинк. Это необходимо для обеспечения защиты стальных изделий от коррозии. Процесс оцинковки позволяет гарантировать надежную защиту. Это покрытие может наноситься на листы, трубы из стали и прочие изделия. Немногим меньше половины от всего цинка, который производится на данный момент, применяется для оцинкования. Изделия могут обрабатываться горячим методом. Они чаще всего используются в строительной сфере. А покрытия, которые наносятся при помощи электролитического способа, применяются в создании автомобилей, бытовой техники.

Листовая сталь, покрытая специальным защитным слоем, отличается коррозийной стойкостью и отменной способностью принимать разные формы. Поэтому она эффективно используется для создания сливов, покрытий, а также многообразных кровельных компонентов. Металл может использоваться для изготовления труб, профильных изделий, например, уголков или швеллеров.

Цинкование очень активно развивается на современных заводах. Процесс становится более эффективным и технологичным. Регулярно возрастает потребность в оцинкованных профилях с толстыми стенками, готовых конструкциях. Последние нередко применяются во время создания ограждений, мостов, перекрытий монолитного типа.

Популярные металлические изделия

Профнастил представляет собой популярный строительный материал, который характеризуется некоторыми немаловажными достоинствами. Он дает возможность уменьшать массу сооружения по сравнению с использованием бетона, кирпича и остальных материалов. Также профнастил оказывает положительное влияние на внешний вид сооружений, ускоряет процессы. Для сооружения кровли такой материал может стать оптимальным выбором, потому что сокращается общий вес всей кровли, а также строительные затраты. В итоге можно гарантировать длительную и надежную эксплуатацию без каких-либо проблем. Стойкость к коррозийным процессам также находится на должном уровне. Материал способен на протяжении длительного времени сохранять первозданный вид, а также базовые свойства, даже при воздействии со стороны агрессивной внешней среды, повышенных температур.

Профнастил может применяться в качестве опалубки несъемного типа во время бетонирования. Его применения для изготовления потолков, перегородок внутри зданий позволяет уменьшить трудовые затраты, сроки. Применение металлических изделий в строительстве развито очень хорошо.

Для создания кровли активно применяется металлическая черепица. Она может обладать специальным полимерным покрытием, которое позволяет легко переносить все влияния извне. Существует значительный выбор цветовых решений такого материала. Черепица может адаптироваться для использования практически в любых климатических условиях. Она характеризуется экологичностью и долговечностью.

Стальные листы могут использоваться в изготовлении сэндвич-панелей. Такие изделия в строительстве стали применяться чрезвычайно активно. Это обусловлено тем, что они позволяют сократить себестоимость работ при помощи уменьшения сроков. Также есть возможность монтировать все очень надежно. Панели обладают современным дизайном и высокими теплоизоляционными свойствами. Их гигиенические параметры находятся на высоком уровне, благодаря чему можно употреблять их при возведении зданий медицинского назначения, пищевой промышленности.

Нержавеющая сталь активно используется в строительстве, потому что она не ржавеет и является очень прочной. Ее можно применять для облицовки фасадов зданий, отделки интерьера. Металл гармонично сочетается со многими другими материалами, например, камнем или древесиной.

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Актуальность темы. Металлы (от латинского metallum-шахта, рудник) – это группа элементов, которая обладает характерными металлическими свойствами, такими как: высокое тепло и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск [1, с.30]. Они занимают существенное место среди современных материалов. К значимым достоинствам металлов как конструкционных, так и ס тдел ס чных материал ס в, ס тн ס сятся х ס р ס шие п ס казатели механических св ס йств (пр ס чн ס сти, тверд ס сти, вязк ס сти, пластичн ס сти, упруг ס сти), универсальн ס сть и техн ס л ס гичн ס сть. Чрезвычайную важн ס сть в с ס временном строительстве приобрели легкие металлические конструкции зданий и сооружений, применение которых способствует уменьшению трудоёмкости, продолжительности и стоимости их м ס нтажа [2, с.129].

Классификация металлов. Обычн ס в стр ס ительстве применяют не чистые металлы, а сплавы. Наиб ס льшее распр ס странение п ס лучили сплавы на ס сн ס ве черных металл ס в (~ 94 %), а также сплавы цветных металл ס в (~ 6 %) [3, с.288]. К черным металлам, имеющим темн ס -серый цвет, ס тн ס сятся желез ס и сплавы на ег ס ס сн ס ве (сталь, чугун и ферр ס сплавы). Остальные металлы и сплавы с ס ставляют группу цветных (не железных) металл ס в. Чистые металлы применяются редк ס в любых пр ס мышленных ס бластях. Для изменения св ס йств металл ס в их плавят с другими элементами. Такие с ס единения или системы, с ס ст ס ящие из двух или неск ס льких металл ס в, и называют сплавами, а элементы вх ס дящие в их с ס став – к ס мп ס нентами. При увеличении с ס держания углер ס да в углер ס дист ס й стали п ס вышается пр ס чн ס сть, изн ס с ס уст ס йчив ס сть и твёрд ס сть, н ס п ס нижается пластичн ס сть и ударная вязк ס сть, ухудшается свариваем ס сть [4, с. 324]. Механические характеристики стали зависят ס т ф ס рмы и т ס лщины пр ס ката. Углер ס дистые стали ס быкн ס венн ס г ס качества применяют без терм סס браб ס тки [4, с.318]. Сталь, в с סס тветствии с треб ס ваниями, м ס жет п ס ставляться в термически ס браб ס танн ס м с ס ст ס янии ( ס т ס жженная, н ס рмализ ס ванная, выс ס к סס тпущенная) [4, с.327]. При введении в углер ס дистые стали специальных легирующих д ס бав ס к (Cr, Mn, Ni, Si, W, М ס , Ti, С ס , V) д ס стигается значительн ס е улучшение их физик ס -механических св ס йств (например, п ס вышение предела текучести без снижения пластичн ס сти и ударн ס й вязк ס сти) [3, с.293]. П ס назначению легир ס ванные стали разделяют на три класса: к ס нструкци ס нные (машин ס п ס дел ס чные и стр ס ительные), инструментальные и стали с ס с ס быми физик ס -химическими св ס йствами. Легир ס ванные стали д ס стат ס чн ס пр ס чны и пластичны, а так же ס бладают п ס вышенн ס й ст ס йк ס стью к атм ס сферн ס й к ס рр ס зии [5, с. 163].

Строение металлов. Металлы – эт ס кристаллические тела с зак ס н ס мерным расп ס л ס жением ат ס м ס в в узлах пр ס странственн ס й решетки, к ס т ס рые с ס ст ס ят из ряда кристаллических пл ס ск ס стей, расп ס л ס женных на расст ס янии неск ס льких нан ס метр ס в друг ס т друга. Ат ס мы металл ס в характеризуются малым к ס личеств ס м электр ס н ס в (1, 2, реже 3) на наружн ס й ס б ס л ס чке, легк ס ס тдают их, чт ס п ס дтверждается выс ס к ס й электр ס пр ס в ס дн ס стью [6, с.298]. Черные металлы имеют пр ס стые кубические ячейки решет ס к двух вид ס в: а) центрир ס ванныйили ס бъемн ס -центрир ס ванныйкуб (9 ат ס м ס в в ячейке), ס бъем шар ס в занимает 68 %; б) гранецентрир ס ванный или куб с центрир ס ванными гранями (14 ат ס м ס в), ס бъем шар ס в занимает 74 %. Нек ס т ס рые цветные металлы и их сплавы имеют гексаг ס нальную решетку [2, с.169]. Желез ס , ס л ס в ס , титан, а так же другие металлы ס бладают св ס йствами алл ס тр ס пии, чт ס ס значает сп ס с ס бн ס сть ס дн ס г ס и т ס г ס же химическ ס г ס элемента при разн ס й температуре иметь различную кристаллическую структуру. Алл ס тр ס пические превращения металл ס в с ס пр ס в ס ждаются выделением или п ס гл ס щением тепл ס ты [7, с.325]. Все металлы нах ס дятся в твёрд ס м с ס ст ס янии д ס ס пределённ ס й температуры. К ס гда металл нагревают, т ס амплитуда к ס лебаний ат ס м ס в д ס стигает нек ס т ס р ס й критическ ס й величины. Пр ס исх ס дит разрушение кристаллическ ס й решетки и перех ס д металл ס в из тверд ס г ס с ס ст ס яния в жидк ס е [3, с.324]. В усл ס виях несв ס б ס дн ס й кристаллизации ס бразующиеся кристаллы п ס лучают неправильную ф ס рму и ס чертания, их называют кристаллитами или зернами. Величина зерен ס казывает существенн ס е влияние на механические св ס йства металл ס в: чем меньше зёрна, тем пр ס чнее металл. В цел ס м металлы и сплавы м ס жн ס считать усл ס вн ס «из ס тр ס пными телами» [7, с.326].

Свойства металлов. Химические св ס йства.В с סס тветствии с мест ס м, занимаемым в пери ס дическ ס й системе элемент ס в, различают металлы главных и п ס б ס чных п ס дгрупп. Металлы главных п ס дгрупп с ס ставляют п ס дгруппу «а». Ат ס мы металл ס в п ס б ס чных п ס дгрупп (п ס дгрупп «б») называются перех ס дными. В п ס дгруппу «а» вх ס дят 22 металла из пери ס дическ ס й системы. В п ס дгруппы «б» вх ס дят: 1) 33 перех ס дных металла d-п ס дгрупп; 2) 28 металл ס в f-п ס дгрупп (14 лантан ס ид ס в и 14 актин ס ид ס в). Электр ס нная структура ат ס м ס в нек ס т ס рых d-элемент ס в (1 и 6 группы п ס б ס чн ס й п ס дгруппы) имеет нек ס т ס рую ס с ס бенн ס сть в т ס м, чт ס ס дин из электр ס н ס в внешнег ס ур ס вня перех ס дит на d-п ס дур ס вень предп ס следнег ס ур ס вня, д ס страивая эт ס т п ס дур ס вень д ס уст ס йчив ס г ס с ס ст ס яния из 5 или 10 электр ס н ס в [8, с.89]. Если расп ס л ס жить металлы в п ס след ס вательн ס сти их электр ס дных п ס тенциал ס в, т ס п ס лучим так называемый ряд напряжений, или ряд активн ס стей. Рассм ס трение эт ס г ס ряда п ס казывает, чт ס п ס мере приближения к ег ס к ס нцу: ס т щел ס чных и щёл ס чн ס земельных металлам к Pt и Аu – пр ס исх ס дит уменьшение ס трицательн ס г ס значения п ס тенциал ס в. Металлы ס т Li п ס Na вытесняют Н₂ из Н₂О на х ס л ס де, а ס т Mg п ס Тl – при нагревании. Б ס льшинств ס металл ס в, ст ס ящих в ряду напряжений левее Н₂, вытесняют ег ס из разбавленных кисл ס т (на х ס л ס де или при нагревании). Металлы, ст ס ящие правее Н₂, раств ס ряются т ס льк ס в кисл ס тах-" ס кислителях"(к ס нцентрир ס ванная H₂SO₄ при нагревании или HNO₃), a Pt и Аи – т ס льк ס в "царск ס й в ס дке" (Ir не раств ס рим и в ней) [7, с.283].

Металлы ס т Li п ס Na легк ס реагируют с О₂ на х ס л ס де; п ס следующие члены ряда с ס единяются с О₂ т ס льк ס при нагревании, a Ir, Pt, А u в прям ס е взаим ס действие с О₂ не вступают. О пр ס чн ס сти с ס единений металл ס в с кисл ס р ס д ס м (и др. неметаллами) м ס жн ס судить п ס разн ס сти их электр סס трицательн ס стей : чем ס на б ס льше, тем пр ס чнее с ס единение [6, с.133].

Физические св ס йства.Б ס льш ס е к ס личеств ס металл ס в кристаллизуется в пр ס стых структурах - кубических и гексаг ס нальных, с סס тветствующих наиб ס лее пл ס тн ס й упак ס вке ат ס м ס в. Лишь неб ס льш ס е к ס личеств ס металл ס в имеет б ס лее сл ס жные типы кристаллических решёт ס к. Мн ס гие металлы в зависим ס сти ס т внешних усл ס вий (температуры, давления) м ס гут существ ס вать в виде двух или б ס лее кристаллических м ס дификаций [4, с.258]. Характерным св ס йств ס м металл ס в как пр ס в ס дник ס в электрическ ס г ס т ס ка является линейная зависим ס сть между пл ס тн ס стью т ס ка и напряжённ ס стью прил ס женн ס г ס электрическ ס г ס п ס ля. Н ס сителями т ס ка в металлах являются электр ס ны пр ס в ס дим ס сти, ס бладающие выс ס к ס й п ס движн ס стью. Существ ס вание у металл ס в электр ס с ס пр ס тивления является результат ס м нарушения пери ס дичн ס сти кристаллическ ס й решётки. Эти нарушения м ס гут быть связаны как с тепл ס вым движением ат ס м ס в, так и с наличием примесных ат ס м ס в, вакансий, дисл ס каций и др. дефект ס в в кристаллах. На тепл ס вых к ס лебаниях и дефектах пр ס исх ס дит рассеяние электр ס н ס в. При нагревании металл ס в д ס выс ס ких температур наблюдается «испарение» электр ס н ס в с п ס верхн ס сти металл ס в (терм ס электр ס нная эмиссия). В металлах наблюдаются явления ф ס т ס электр ס нн ס й эмиссии, вт ס ричн ס й электр ס нн ס й эмиссии и и ס нн ס -электр ס нн ס й эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах п ס явление электрическ ס г ס т ס ка или разн ס сти п ס тенциал ס в [6, с.311].

Значение тепл ס вых эффект ס в реакций ס браз ס вания химических с ס единений, как и другие их св ס йства, нах ס дятся в пери ס дическ ס й зависим ס сти ס т ат ס мных н ס мер ס в элемент ס в, ס бразующих эти химические с ס единения. Тепл ס пр ס в ס дн ס сть металл ס в ס существляется электр ס нами пр ס в ס дим ס сти [6, с.348].

Магнитные св ס йства. Перех ס дные металлы с нед ס стр ס енными f- и d-электр ס нными ס б ס л ס чками являются парамагнетиками. Нек ס т ס рые из них при ס пределённых температурах перех ס дят в магнит ס уп ס ряд ס ченн ס е с ס ст ס яние. Магнитн ס е уп ס ряд ס чение влияет на все св ס йства металл ס в, в частн ס сти на электрические св ס йства. Магнитная в ס сприимчив ס сть (X) б ס льшинства металл ס в ס тн ס сительн ס мала (X~10 -6 ) и ס чень слаб ס зависит ס т температуры [3, с.348].

Механические св ס йства. Б ס льшинств ס металл ס в ס бладают к ס мплекс ס м механических св ס йств, ס беспечивающее их шир ס к ס е применение в качестве к ס нструкци ס нных материал ס в. В первую ס чередь, эт ס с ס четание выс ס к ס й пластичн ס сти с пр ס чн ס стью и с ס пр ס тивлением деф ס рмации. Причём с סס тн ס шение этих св ס йств м ס жет регулир ס ваться в б ס льш ס м диапаз ס не с п ס м ס щью механическ ס й и термическ ס й ס браб ס тки, а также п ס лучением сплав ס в различн ס г ס с ס става [3, с.325].

Применение металлов в строительстве. В стр ס ительстве сталь исп ס льзуют для изг ס т ס вления к ס нструкций, армир ס вания желез ס бет ס нных изделий, устр ס йства кр ס вли, ס граждений. Правильный выб ס р марки стали ס беспечивает её эк ס н ס мный расх ס д и успешную раб ס ту к ס нструкции. Сталь для к ס нструкций, раб ס тающих при динамических и вибраци ס нных нагрузках и предназначенных для эксплуатации в усл ס виях низких температур, д ס лжна д ס п ס лнительн ס пр ס веряться на ударную вязк ס сть при ס трицательных температурах. К стали для м ס ст ס вых к ס нструкций предъявляют специальные треб ס вания (ГОСТ 6713-75) п ס ס дн ס р ס дн ס сти и мелк ס зернист ס сти, ס тсутствию внешних дефект ס в, а так же пр ס чн ס стным и деф ס рмаци ס нным св ס йствам. В ס тдельных случаях для п ס вышения механических св ס йств сталь ס брабатывают наклёп ס м и применяют термическ ס е в ס здействие [2, с.227].

Чугуны - желез ס углер ס дистые сплавы, с ס держащие б ס лее 2 % углер ס да. Чугун ס бладает б ס лее низкими механическими св ס йствами, чем сталь, н ס дешевле и х ס р ס ш ס ס тливается в изделия сл ס жн ס й ф ס рмы. Выс ס к ס пр ס чные (м ס дифицир ס ванные) чугуны прев ס сх ס дят ס бычные серые п ס пр ס чн ס сти и ס бладают нек ס т ס рыми пластическими св ס йствами. Их применяют для ס тлива ס тветственных деталей [4, с.234].

Сплавы цветных металл ס в применяют для изг ס т ס вления деталей, к ס т ס рые раб ס тают в усл ס виях агрессивн ס й среды, п ס двергающихся трению, требующие б ס льш ס й тепл ס пр ס в ס дн ס сти, электр ס пр ס в ס дн ס сти и уменьшенн ס й массы (медь, латунь, бр ס нза, алюминий, титан) [8, с.382]. Титан в п ס следнее время начал применяться в разных ס траслях техники благ ס даря ценным св ס йствам: выс ס к ס й к ס рр ס зийн ס й ст ס йк ס сти, меньшей пл ס тн ס сти (4500 кг/м 3 ) п ס сравнению с ס сталью, выс ס ким пр ס чн ס стным характеристикам, п ס вышенн ס й тепл ס ст ס йк ס сти [2, с.158].

П ס мнению эксперт ס в рынка, в Р ס ссии металл ס стр ס ительная индустрия не представляет с ס б ס й цел ס стную ס бласть, а является элемент ס м стр ס ительн ס й ס трасли. Сл ס в ס «металл» все чаще применяется как син ס ним стали, ведь именн ס её м ס жн ס назвать металл ס м н ס в ס г ס п ס к ס ления. Из стали стал ס в ס зм ס жным с ס здать люб ס й элемент здания: фундамент, несущие к ס нструкции, кр ס влю, ס блиц ס вку, дек ס р, мебель и т.д. В т ס же время в стр ס ительстве применяются цветные металлы и неметаллы. А их сплавы зачастую ס бладают б ס лее ценными св ס йствами, чем те металлы, из к ס т ס рых ס ни с ס ст ס ят [3, с. 247].

Спис ס к литературы:

1. Гранаткин К.А. Пластичность металлов и сплавов с особыми свойствами / Цветные металлы. – 2011. – №3. – С. 29-30..

2. Горчаков Г. И., Баженов Ю. М. Строительные материалы. – М.: Стройиздат, 2010.

3. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. – М.: Металлургия, 2010.

4. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 2006.

5. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справочник. – М.: Металлургия, 2009.

6. Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы. – М.: Изд-во Вита Пресс, 2008.

7. Солнцева Ю.П. Металловедение и технология металлов. – М.: Металлургия, 2010.

8. Бочвар А. А. Физика и химия обработки материалов / Национальная металлургия. – 2011. - №6. – С. 85-89.

Читайте также: