Строительное дело. III. Строительные материалы

Строительное дело. III. Строительные материалы составляют в совокупности очень большую группу материалов самого различного состава и самого разнообразного вида и происхождения. (Описание отдельных видов строительных материалов см. в соответствующих статьях: здесь дается лишь общая их характеристика). Все строительные материалы могут быть разделены  на главные и второстепенные. К первым относятся материалы, из которых, по преимуществу, выполняются основные, несущие части сооружений; ко вторым — материалы, которые являются несущественными при возведении сооружений, а также отделочные, декоративные и проч. К главным строительным материалам можно отнести: грунт, камень (естественный и искусственный), строительные растворы  разных вяжущих (цементирующих) веществ, бетон, дерево, металлы.

К второстепенным строительным материалам можно отнести: стекло,  асфальт, масла, краски, лаки, толь, конго, рубероид, обои, пробку, линолеум, различные изоляционные  массы и материалы, клей, смолы, веревки, канаты, пеньку, паклю, клепку, войлок, мох и мн. др.

I. Главные строительные материалы 1) Грунт, составляющий материал подошвы оснований и фундаментов, а также материал земляных работ, является строительным материалом, но в меньшей  степени, чем камень, дерево, железо и т. д.; в отличие от материалов, доставляемых на место постройки и могущих быть забракованными в случае их негодности,  грунт оказывается материалом, так сказать, неустранимым; поэтому свойства грунта, как строительного материала, должны быть тщательно изучены. Грунт должен обладать следующими  свойствами: прочностью, несжимаемостью, неразмываемостью, мощностью. Мощность (толщнна) слоев грунта определяется бурением (см.); размываемость выясняется изучением и наблюдением в натуре; сжимаемость и прочность грунтов определяется опытным путем в каждом частном случае. Для этого прибегают к двум способам: либо испытывают подошву фундамента (обнаженный грунт, подготовленный для воспринятия давления фундамента) при помощи особого рода приборов (Рудольфа Мейера в Вене и др.), либо подвергают подошву фундамента  давлению пробной нагрузки и определяют осадку при различных грузах. Последний способ точнее, но длительнее и хлопотливее; при этом способе на подошву  фундамента кладут каменную или чугунную плиту определенной площади и нагружают ее грузом, состоящим обычно из столба кирпичной кладки с тяжелыми  предметами (кирпич, чугунины, камень, рельсы, мешки с песком и т. п.), укладываемыми на устроенную на нем платформу. Осадка в грунт отмечается и измеряется при помощи рычажков и реек, прикрепленных к кирпичному столбу. Зная вес кирпичного столба и всей нагрузки, находим давление на единицу площади плиты, положенной на подошву фундамента. В случае, если грунт по всем обследованиям окажется надежным, на нем устраивают основание и фундамент непосредственно; в противном же случае прибегают к искусственному укреплению и усилению, в согласии с данными строительного искусства и теории оснований и фундаментов.

Грунты, как материал земляных работ, разделяются на твердые, сухие, сыпучие и мокрые, а также на тяжелые, твердые, средние и легкие; первые два рода грунта разрабатываются взрывными работами, домами и кирками; средние грунты требуют применения заступов, кирок и ломов; легкие разрабатываются одними лопатами. Кроме того, различают грунты скалистые, хрящеватые, песчанистые, глинистые, болотистые, растительные и торфяные, а также грунты искусственные.

2) Каменные строительные материалы могут бить как естественные, так и искусственные.

а) Естественные камни, или горные породы (см.), добываются из каменных карьеров; выламываются они при помощи взрывных работ, а также ломами, клиньями и др. инструментами. Естественный камень идет на каменные работы в разном виде: в виде булыжника (т. е. гладких округленных камней); в виде бута (кусков камня больших или меньших размеров, неправильной формы); в виде плит или плитняка (кусков камня большей или меньшей площади, но более тонких) и в виде правильных фасонных штучных камней с более или менее тщательно обработанными поверхностями.

В зависимости от серьезности постройки бут должен отличаться необходимой крепостью, которая определяется в строительных и механических лабораториях на машинах, указывающих временное сопротивление на сжатие, доведенное до полного разрушения испытываемого камня, которому для испытания придается форма правильного кубика с гладкими поверхностями и с правильными ребрами и углами. Временное сопротивление (выраженное в килограммах на квадратный сантиметр), требуемое для бута надлежащей крепости, устанавливается техническими условиями и нормами для возведения сооружений.

Материал для штучного камня, идущего по большей части на облицовку каменных сооружений, также подвергается испытанию на сжатие, доведенное до разрушения, как сказано, чем устанавливается временное сопротивление камня на сжатие; кроме того, материал этот испытывается еще на действие мороза, для выяснения того, насколько испытуемый камень стоек в отношении так называемого выветривания. Для такого испытания напыщенные водой каменные кубики подвергаются 25-ти кратному искусственному замораживанию (до 17°С или ниже) и оттаиванию. Пригодным для облицовки считается лишь камень, выдержавший такое испытание без всяких повреждений, разрушений  и трещин.

Камень применяется также в качестве мостового камня, для лестниц, площадок и тротуаров, а также в виде щебня для шоссе, балласта на железнодорожных путях и для бетонных работ. Для мостового и тротуарного камня идущий на них материал испытывается на  истирание (на особом приборе — шлифовальном станке) и на мороз. Щебень должен быть изготовлен из камней крепких, не выветривающихся пород; испытывается щебень в особых барабанных приборах, где камень подвергается длительному (нормированному) пересыпанию и взвешиванию для определения потери в весе от износа при испытании.

б) Искусственные камни могут быть очень различны по своему составу и по изготовлению. Одни из них формуются из глины и просто сушатся; другие формуются из глины и обжигаются; третьи формуются из извести с песком и обрабатываются под большим давлением водяного пара; четвертые формуются из  цементного раствора или бетона. Глиняные сушеные камни: сырец, саман и др., идут на второстепенные постройки, преимущественно на юге. Глиняные жженые камни, называемые кирпичами (см. XXIV, прил. к 159/60), бывают очень различного вида, формы и свойства. Смотря по сорту глины, кирпичи могут быть обыкновенные и огнеупорные; вторые изготовляются из огнеупорной глины, не изменяющейся при воздействии на нее сильного жара, до 1 800°С. На огнеупорность глины влияют ее примеси: железистые, кремневые и др.; чем глина чище, тем она более огнеупорна. Обыкновенные строительные кирпичи различных размеров и форм  (лекальные, пустотелые, пористые, облицовочные и проч.) могут быть нормального обжига; они отличаются правильностью формы и цвета. Недожог отличается более легким весом и рыхлостью; пережег — полужелезняк и железняк отличаются более темным цветом, иногда темно-зеленым и сизым, с неправильным, иногда корявым видом, местами ошлакованным.

Кирпич выставляется на работы клетками по 250 штук с каждой. Боя быть в кирпиче не должно, а половинок может быть не более 5—10%. Кирпич испытывается на замораживание и на сжатие в виде кубов, изготовляемых из цельного кирпича путем его распила на две половинки, которые взаимно скрепляются чистым цементным раствором; этим же раствором выравниваются две остальные поверхности половинок так, чтобы скрепленные и выровненные с поверхностей две кирпичные половинки представляли из себя вместе образец почти правильной кубической формы. Этот нормальный кирпичный образец подвергается сжатию до разрушения на машинах в лаборатории, причем давление производится нормально к шву между половинками кирпича. Временное сопротивление кирпича сжатию получается делением веса разрушающего груза на площадь давления и выражается в килограммах на квадратный сантиметр. Кирпичи, изготовленные из смеси извести и песка обработкой водяным паром, называются известково-песчаными кирпичами. Испытываются они так же, как и глиняные жженые кирпичи.

Еще различают клинкер (звончак), который изготовляется из правильно подобранной по составу глины при соответственно проведенном обжоге. Клинкер представляет из себя кирпичи правильной формы и однородной хорошо обожженной, очень плотной массы;  крепость клинкера на сжатие и на истирание много больше обыкновенного кирпича; клинкер применяется в целом виде на мостовые, а в дробленом виде — на шоссейных дорогах; щебень же — в местах, богатых хорошей глиной, но с плохим естественным камнем, сильно изнашиваемым на шоссе.

К искусственным камням относятся также цементные и бетонные камни как сплошные, так и полые (с пустотами до 80%). Камни эти изготовляются из цемента  (портландского, шлако-портланд-цемента) с примесью одного песка или смеси песка с гравием или щебнем. Камни эти изготовляются в формах и в станках. Видов и форм цементных и бетонных камней, плотных и пустотелых, имеется большое количество; они отличаются в деталях, которыми преследуется дешевизна и наибольшая нетеплопроводность, достигаемая пустотами, наполненными воздухом или сыпучим, рыхлым нетеплопроводным веществом.

К искусственным камням относятся также: a) трубы дренажные и канализационные — жженые (гончарные, штейнгутовые) и цементные — бетонные; б) кровельная черепица самых различных фасонов, исполненная из глины, жженая и цементная.

Кроме того, к этой категории строительных материалов может быть отнесено множество других материалов: искусственный кровельный шифер (терафазерит, этернит), изготовляемый из асбеста с портланд-цементом; ксилолит, папиролит и мн. другие, состоящие из древесных опилок (преимущественно долевых) с примесью цемента Сорель (смесь хлористого магния и окиси магния). Искусственный шифер имеет вид квадратов (30х30 см) толщиной около 5 мм и идет на кровлю; это, по всему вероятию, кровля будущего, ввиду возможного недостатка кровельного железа. Смесь опилок с цементом Сорель идет на полы; эти полы мягки, теплы и не пыльны.

3) Вяжущие (цементирующие) строительные материалы идут для изготовления строительных растворов, применяемых в каменной кладке и на штукатурку; кроме того, материалы эти служат для изготовления бетона и железобетона. Вяжущие материалы применяются в смеси с отощающим материалом (песок, гравий, щебень) и с водой. Вода вызывает подвижность составных частей, сообщает смеси пластичность и нужна для химических реакций, протекающих в некоторых цементирующих веществах, благодаря которым строительный раствор и бетон приобретают крепость и из сыпучих и жидких веществ превращаются в камневидные материалы. Таким образом, строительный раствор применяется: а) для связи отдельных камней в одно целое сооружение и для заполнения пустит и швов между камнями; б) для покрытия каменных и деревянных поверхностей плоским или рельефным слоем; в) для образования (из мелких материалов) искусственных камней и целых монолитных сооружений.

Хороший строительный раствор должен обладать следующими свойствами: а) пластичностью — для обеспечения заполнения пустот и швов в каменной кладке; б) сцепляющей силой, прочностью, крепостью и долговечностью, для обеспечения сохранности и крепости сооружения; в) постоянством объема. Это очень важное свойство строительных растворов. Требование постоянства объема заключается в том, чтобы цементирующее вещество, входящее в раствор, при своем твердении и далее не проявляло в себе таких химических реакций, благодаря которым крепость строительного раствора не будет сохраняться и возрастать с течением времени, в постоянном по объему растворе не будет трещин и искривлений, каковые могут  в неблагоприятных случаях привести все сооружения даже и полному разрушению.

Цементирующие вещества по характеру твердения и по стойкости на действие сырости и воды могут быть подразделены на группы, размещенные в таблице:

Раствор	Цементирующие вещества растворов
	Твердеющие главным образом физически		Твердеющие главным образом химически
	Высыханием	Высыханием и влиянием окружающей среды
Воздушный	Глина	Воздушная известь	Обыкновенный гипс (штукатурка, алебастр) Гажа
Гидравлический			Гидравлическая известь, роман-цемент, портланд-цемент и другие цементы, гидравлический гипс.

Воздушные растворы не твердеют не только под водой, но и во влажном пространстве: гидравлические растворы твердеют —  некоторые во влажном пространстве, другие даже под водой (подробности о цементирующих веществах см. цементы). Твердение воздушной извести основано: 1) на испарении воды из раствора (высыхание) и затем 2) на медленном поверхностном поглощении известью углекислоты из воздуха и отчасти на образовании соединений между известью и кварцем песка раствора. Твердение глиняного раствора основано исключительно на высыхании. Оба эти раствора твердеют только в сухом пространстве. Твердение обыкновенного гипса, получаемого очень умеренным обжигом сырого гипса (CaSO₄, 2Н₂О) до полуводного состава (CaSO.½Н₂О) и измельчением после или до обжига, основано на обратной гидратации, при которой порошкообразный гипс превращается в камневидное состояние; в присутствии сырости затвердевший гипс теряет в крепости и может подвергнуться разрушению. Гидравлическая известь, отличающаяся от обыкновенной воздушной содержанием в ней силикатов, способна твердеть во влажном пространстве, благодаря гидратации силикатов извести, образующихся в ней при ее обжиге. Все цементы, а также и гидравлический гипс, затвердевают вследствие происходящих в них химических процессов, вызываемых гидратацией их составных частей. Роман-цемент и гидравлический гипс обладают лишь в слабой степени способностью твердеть и сохраняться при обилии воды, тогда как портландцемент и другие цементы твердеют и сохраняются под водой. Воздушная известь одна без песка не обладает постоянством объема; высыхая, она трескается; кроме того, без песка воздушная известь обладает слишком малой крепостью, почему без песка она применяться не может, и кроме того песок служит в этом растворе как бы дренажем для удаления воды из раствора и для проведения в раствор из воздуха углекислоты, необходимой для твердения раствора. Гипс воздушный обычно слишком интенсивно твердеет, почему он применяется в строительном деле с примесью песка и извести.

Рис. Лепешка, обнаруживающая так называемое «непостоянство объема» цемента. На рисунке видны характерные трещины. Лепешка же вполне доброкачественного цемента – совершенно гладкая и прочная.

Гажа, производящаяся умеренным обжигом на Кавказе, является естественной смесью гипса и глины, она преимущественно применяется туземцами на свои постройки. Гидравлическая известь (почти не производящаяся в России) очень распространенный материал за границей, обладающий прекрасными свойствами: она дешевле цементов. Гидравлическая известь, как и воздушная, применяется с песком, но допускается меньшая примесь песка, чем в воздушной извести.

Цемент (роман и прочие) обладают постоянством объема и без песка, почему примесь его не является неизбежной; однако, она обусловлена экономическими соображениями, ибо песок дешевле цементов; кроме того, крепость цементов (за исключением роман-цемента) избыточная по сравнению с крепостью соединяемых ими камней.

Извести гасятся водой; цементы не гасятся, но превращаются в порошок перемалыванием.

Смесь цементирующих веществ с песком показана в таблице:

Состав растворов	Отношения объемные
Цементирующее вещество	Цементирующее вещество	Песок
Воздушная известь	1	От 2 до 3
Гидравлическая известь	1	От 1,5 до 2,5
Роман-цемент	1	От 2 до 3
Портланд-цемент и другие цементы	1	От 1 до 7 и более

Испытание цементов исполняется согласно правилам, утвержденным на цементных съездах и на международных конгрессах по испытанию материалов. Испытание главнейшего свойства цементирующих веществ – постоянства объема – производится следующим образом; из цементов (роман, портланд и др.) приготовляются так называемые цементные мешки; для этого цемент затворяется с нормальным количеством воды (для каждого цемента свое особое количество, определяемое при помощи аппарата Вика); это количество воды колеблется для роман-цементов около 30%, для портланд-цемента — около 23% от веса сухого цемента. Цемент (без песка) замешивается с водой в течение 5 минут, и из теста приготовляют лепешки на пропускной бумаге, положенной на стекло; лепешки делаются диаметром примерно в 5 см  и толщиной в средине около 1 см  с утоньшением их к краям. Через 24 часа с момента их заготовления лепешки кладутся — одни в воду на 27 дней, другие в воздушную баню (закрытая камора), нагреваемую в течение 2—3 часов до температуры +120°С. Те и другие лепешки не должны обнаруживать ни искривлений, ни трещин, а должны оставаться крепкими, цельными и не искривленными. Цемент, обладающий непостоянством объема (не выдержавший испытания лепешками), бракуется и на работы не допускается, как могущий привести все сооружение к разрушению  

Кроме растворов известковых и цементных, в строительном деле применяются также сложно-гидравлические растворы, или смешанные, состоящие из смеси песка, цемента и известкового теста (смесь извести с водой); растворы эти, будучи дешевле цементных, обладают, однако, значительно большей крепостью, чем известковые; применяются они даже в сырых и ответственных местах, где цементный раствор избыточно крепок и дорог, а известковый уже не применим, как совершенно не гидравлический. Смешанные растворы пластичнее цементных. На них очень часто кладут кирпичные высокие фабрично-заводские дымовые трубы. Состав смешанных растворов различен: от 1+2+6 до 1+1+10, где первое число — цемент, второе — известковое тесто, третье — песок (по объему).

Бетон состоит из смеси по преимуществу портланд-цемента или шлако-портланд-цемента: цемента 1 часть по объему, песка —  от 2 до 3 частей и гравия или щебня от 4 до 6 частей. Состав берется смотря по назначению бетона. Подробности см. бетон.

Для цементирующих веществ и для бетона имеются установленные правительственными органами нормы и технические условия, обеспечивающие правильность состава и применения названных веществ.

4) Дерево имеет значительное применение, как в самостоятельных деревянных конструкциях, так и в виде отдельных элементов во многих сооружениях и постройках. В строительном деле применяется по преимуществу сосна, ель и дуб, реже — пихта и лиственница. В дело дерево идет в виде бревен (диаметром от 13 до 40 см  и длиной от 4 до 15 метров), пластин (бревна, распиленные пополам по диаметру), брусьев прямоугольного сечения, выделываемых из бревен распиловкой или обтеской, и в виде различной толщины досок (от 25 до 100 мм), получаемых из бревен распиловкой. От доброкачественного дерева требуется, чтобы оно было без трещин, мелкослойное, с малым количеством суков, без гнили, без ситовины, без синевы, прямолинейное и без порочных суков; содержание влажности должно быть не больше 20%. Сопротивление дерева механическому воздействию разного рода (сжатию, растяжению, изгибу и сдвигу) бывает очень различно; кроме того, это сопротивление неодинаково по различным направлениям по отношению к направлению волокон. Эти оба обстоятельства надо учитывать при проектировании деревянных конструкций. Выгодное свойство дерева в сравнении с другими материалами состоит в том, что отношение прочности к весу для дерева выше, чем для других материалов; поэтому в дереве коэффициент использования в конструкциях больше, чем, например, для  железа. К невыгодным свойствам дерева относятся его гниение и его воспламеняемость. Но против этих двух недостатков имеются способы их ослабления, если не совершенного устранения (см. дерево). Для оценки качеств дерева при его приемке производят испытания в лабораториях на изгиб балочек и на сжатие кубиков, а также определяют % его влажности. Начиная со времени мировой войны (вследствие израсходования железа на нужды войны, транспорта и промышленности), для сооружений стали больше применять дерево, заменяя им железо в конструкциях.

За границей из дерева выполняют даже большие покрытия общественных зданий (мастерских, паровозных сараев, дебаркадеров).

5) Металлы (см. также: железо, металлы, металлография, сталь). В строительной технике (сооружения и машиностроение) имеют особенное значение так называемые черные металлы (чугун, железо, сталь); цветные, белые металлы и сплавы, а также драгоценные (благородные) металлы имеют очень ограниченное применение, почему о них говорить не будем. Черные металлы вырабатываются из железных руд; взаимное их соотношение может быть представлено схемой:

 

В строительное дело идет литейный чугун, отличающийся своей однородностью; он называется также серым чугуном, благодаря его цвету, который обусловлен выделившимся при остывании углеродом. Серый чугун берется зубилом и напильником в противоположность другим видам чугуна (белому, зеркальному и др.), которые не поддаются механической обработке и как строительный материал служить не могут.

Ковкий чугун получается из серого чугуна особой обработкой, благодаря которой он получает некоторое свойство железа: идет на тонкие отливки.

Сварочное железо и сталь (кричное и пудлинговое) имеет более исторический интерес, чем практический, и может скорее иметь значение в кустарном деле. Только с открытия бессемеровского и сименс-мартеновского производств и с началом применения литого железа, как строительный материал, железо стало применяться в больших конструкциях. Не вдаваясь в подробности производства и всех свойств черных металлов, дадим одну таблицу:

Металл	Содержание углерода в %	Температура плавления °С	Удельный вес	Килограмм на квадратный сантиметр
				Z	D	E	G	P
Чугун	2,3-4,5	1100-1200	7,2-7,6	1200-1500	3000-9000	450000-1200000	290000-400000	1,10
Сварочное железо	0,1-0,5	1500-2100	7,6-7,8	2300-4900 (II) 1800-3900 (I)	-	2000000	770000	0,87-0,84
Литое железо	0,1-0,5	1500-2100	7,85	3400-4700	2500-3000	2100000	830000	0,80
Литая сталь	0,5-1,6	1700-1900	7,85	4500	8000	2200000	850000	0,80

Значки II и I означают: первый—вдоль прокатки, второй—поперек прокатки,

Z — временное сопротивление разрыву,

D — « « сжатию,

Е — модуль упругости (закон Гука),  

G — модуль поперечной упругости,

μ = S/Z, где S — временное сопротивление сдвигу.

Сплавы железа с углеродом в пределах от 1,6% до 2,3% (сталистый чугун) не применимы в деле, так как они не обладают необходимыми свойствами для строительных целей. Сопоставляя числа Z и D для разных металлов, можно сделать заключение, что из чугуна не должно делать растягиваемых и изгибаемых элементов конструкций; чугун наиболее уместен в сжимаемых элементах: колоннах, опорах, плитах.

Кроме указанных черных металлов в Америке и в Германии в строительном деле применяется еще так называемая никелевая сталь — это литой металл (железо) с 2—3,5% никеля; такой металл обладает большой прочностью; Z = от 5 600 до 6 500 кг  на кв. см. Применяется для мостов, которые выходят очень легкими.

В железо, в качестве вредных примесей, входят: сера, которая делает железо красноломким, и фосфор, который делает железо хладноломким (в мороз лопаются рельсы, оси, бандажи). Количество серы должно быть не больше 0,08%, а фосфора — не больше 0,1%. Обработка железа при нагреве около 300°С  вызывает синеломкость железа.

Резанье и придавливание литого железа в холодном состоянии вызывает появление микроскопических трещинок около места обработки; эти трещинки могут в сооружении от сотрясений и ударов развиться до опасных размеров, ведущих к разрушению всего сооружения. Для удаления вредных последствий должно такие поверхности после обработки нагревать до 700—800°С и давать им медленно остыть; или надо рассверливать на 1—2 мм  пробитые отверстия. Литое железо прокатывается (см. железо и железоделательное производство, XX, прил. к 151/52) в разное листовое, фасонное и мелкое железо. Для прокатки и пользования сортовым железом имеются нормальные сортаменты железа, в которых приведены все необходимые геометрические размеры и механические данности, которыми пользуются при составлении расчетов сооружений.

Для приемки металла имеются нормальные технические условия и правила испытаний в механических лабораториях. Металлы очень страдают в пожаре и их надо изолировать бетоном или кирпичом.

II. О второстепенных строительных материалах см. соответствующие статьи (асфальт, клей, краски, лаки, масла, обои, смолы, пробка и др.).

Н. Лахтин.