Metal BitUm Lemn

51
MATERIALE METALICE Subiect …..Oţeluri: clasificări, structură, proprietăţi Metalele şi aliajele metalice sunt corpuri policristaline constituite dintr-un mare număr de grăunţi cristalini, puternic legaţi între ei. Metalele cristalizează în cele mai compacte sisteme, cubic şi hexagonal, datorită faptului că legătura metalică nu este dirijată în spaţiu. Metalele utilizate în construcţii pot fi clasificate în feroase şi neferoase. Fierul în stare pură este moale, maleabil şi ductil, având caracteristici mecanice slabe. În scopul obţinerii unor performanţe mecanice superioare, fierul se aliază cu carbon, rezultând metalele feroase. Pe lângă carbon, în aceste aliaje există şi cantităţi mici de siliciu, mangan, fosfor, sulf, etc. Pentru obţinerea unor proprietăţi superioare se folosesc elemente de aliere, cum sunt: crom, nichel, cupru, etc. După conţinutul lor în carbon, aliajele feroase se împart în fonte şi oţeluri, care sunt aliaje soluţie solidă sau amestec fizic de cristale. Clasificarea precum şi proprietăţile acestor aliaje sunt o consecinţă a diagramei de echilibru termic fazal Fe - Fe 3 C (fig.1). Figura 1. Diagrama Fe-Fe 3 C 1

description

metal bitum lemn

Transcript of Metal BitUm Lemn

Page 1: Metal BitUm Lemn

MATERIALE METALICESubiect …..Oţeluri: clasificări, structură, proprietăţi

Metalele şi aliajele metalice sunt corpuri policristaline constituite dintr-un mare număr de grăunţi cristalini, puternic legaţi între ei.

Metalele cristalizează în cele mai compacte sisteme, cubic şi hexagonal, datorită faptului că legătura metalică nu este dirijată în spaţiu.

Metalele utilizate în construcţii pot fi clasificate în feroase şi neferoase.Fierul în stare pură este moale, maleabil şi ductil, având caracteristici

mecanice slabe. În scopul obţinerii unor performanţe mecanice superioare, fierul se aliază cu carbon, rezultând metalele feroase. Pe lângă carbon, în aceste aliaje există şi cantităţi mici de siliciu, mangan, fosfor, sulf, etc. Pentru obţinerea unor proprietăţi superioare se folosesc elemente de aliere, cum sunt: crom, nichel, cupru, etc.

După conţinutul lor în carbon, aliajele feroase se împart în fonte şi oţeluri, care sunt aliaje soluţie solidă sau amestec fizic de cristale.

Clasificarea precum şi proprietăţile acestor aliaje sunt o consecinţă a diagramei de echilibru termic fazal Fe - Fe3C (fig.1).

Figura 1. Diagrama Fe-Fe3C

Oţelurile au un conţinut de C mai mic de 2.11%, iar fontele între 2.11 - 6.67%.

Fonta se obţine în furnale, din minereu de fier, cocs şi adaosuri cu rol în reducerea temperaturii de lucru - fondanţi. Rezultă fontă topită şi zgură de furnal, constituită din sterilul din cărbune şi minereu precum şi din fondant.

Pentru obţinerea oţelului este necesară reducerea conţinutului de C, Si, P, S, care se realizează prin utilizarea unor procedee specifice, prin adaos de fier vechi, minereu, oxigen, etc.

1

Page 2: Metal BitUm Lemn

Funcţie de conţinutul de C, oţelurile pot fi hipoeutectoide (%C <0.77), eutectoide (%C=0.77) şi hipereutectoide (%C>0.77).

Funcţie de conţinutul de C, fontele pot fi hipoeutectice (%C <4.3), sau hipereutectice (%C>4.3).

Fierul prezintă transformări alotrope:

(1) Forma a fierului cristalizează în sistemul cubic cu feţe centrate, iar

celelalte forme în sistemul cubic cu volum centrat. Diferenţa de solubilitate a carbonului în fierul aflat în una din formele

(0.0218% C în şi 0.09% C în ) faţă de forma a fierului (2.11% C), se explică prin aceea că golurile structurii cubice cu volum centrat (fig. 2.b) sunt ceva mai mici decât cele din structura cubică cu feţe centrate (fig. 2.a), astfel încât atomii de C interstiţiali se pot găsi în număr mai mare în ultima.

Figura 2. Celulele elementare corespunzătoare soluţiilor solide Fe - C

a b

Denumirile uzuale ale fazelor ce apar în diagrama Fe - Fe3C sunt: ferită - soluţie solidă a C în ; ferită - soluţie solidă a C în ; austenita - soluţie solidă a C în ; soluţiile solide sunt relativ moi şi

ductile, dar mai rezistente decât fierul pur. cementita - compus ce corespunde formulei Fe3C, foarte dur şi

casant; prin controlarea cantităţii, formei şi mărimii granulelor de cementită se pot obţine oţeluri cu proprietăţile dorite.

perlita - un amestec fizic de cristale de ferită şi cementită, format prin descompunerea la 727oC a austenitei, care este incongruentă în fază solidă (fig. VIII.3).

Carbonul, aflat în proporţie mai mare de 0.0218%, trece din austenită în cementită, până la atingerea limitei de solubilitate în ferită la temperatura respectivă. Evoluţia structurii, la scăderea temperaturii pentru un oţel hipoeutectoid şi a unuia hipereutectoid poate fi urmărită în fig. 4.

Figura 3. Reprezentare a structurii perlitei

2

Page 3: Metal BitUm Lemn

Figura 4. Reprezentare a evoluţiei structurii oţelurilor hipo şi hipereutectoide la răcire de echilibru

Pentru oţelurile hipoeutectoide, transformarea austenitei începe la temperatura A3, de la marginea grăunţilor cristalini, cu formarea feritei. Cu scăderea temperaturii, se formează tot mai multă ferită, compoziţia austenitei rămase continuând să se îmbogăţească în C. La atingerea temperaturii corespunzătoare transformării eutectoide (727oC), austenita cu 0.77% C se transformă în perlită. În final, pentru oţelurile hipoeutectoide se obţine o structură alcătuită dintr-o matrice relativ moale şi ductilă constituită din ferită.

În consecinţă, oţelurile hipoeutectoide răcite lent vor avea rezistenţe mecanice corespunzătoare dar şi o plasticitate bună, datorită matricii de ferită.

Pentru oţelurile hipereutectice, la răcirea sub Acm, excesul de C precipită din soluţia solidă sub formă de cementită. Cementita apare în microstructură ca o reţea în jurul cristalelor de austenită şi de asemenea sub formă de ace în cristalele de austenită. Conţinutul de C al austenitei se reduce cu scăderea temperaturii şi când se atinge temperatura critică inferioară (727oC), austenita rămasă, acum de compoziţie eutectoidă, se transformă în perlită.

3

Page 4: Metal BitUm Lemn

Structura oţelurilor hipereutectoide răcite lent este alcătuită dintr-o matrice continuă, dură şi casantă - cementită, armată cu perlită lamelară.

Oţelurile hipereutectoide răcite lent sunt dure şi casante, datorită matricii, structură ce poate fi totuşi îmbunătăţită prin tratamente termice.

Subiect……. Modelarea proprietăţilor oţelului. Principii teoretice

Rezistenţele mecanice ale oţelului pot fi îmbunătăţite prin modificarea conţinutului în C, în sensul obţinerii unei cantităţi mai mari de perlită; cantitatea maximă de perlită şi deci cele mai bune proprietăţi mecanice se obţin pentru un oţel cu compoziţie eutectoidă (fig. 5).

Figura VIII. 5. Evoluţia proprietăţilor mecanice ale oţelului cu conţinutul de C

Rezistenţele mecanice ale oţelului pot fi de asemenea crescute prin obţinerea unei structuri conţinând granule mai fine de perlită; pentru aceasta este necesară reducerea dimensiunilor iniţiale ale granulelor de austenită, prin utilizarea unei temperaturi reduse de obţinere.

Controlul vitezei de răcire a oţelului oferă o modalitate de modelare a structurii intime a grăunţilor cristalini.

Astfel, cu creşterea vitezei de răcire în timpul reacţiei de transformare a austenitei în perlită, se micşorează distanţa pe care atomii pot să difuzeze (difuzia este cu atât mai intensă cu cât temperatura este mai ridicată).

În fapt, transformarea constă în separarea în straturi paralele a unui compus mai bogat în fier - ferită şi unul mai bogat în carbon - Fe3C.

4

Page 5: Metal BitUm Lemn

Această separare se bazează pe difuzia atomilor din austenită. Straturile paralele de ferită şi cementită vor fi din ce în ce mai subţiri, pe măsură ce temperatura scade, fapt ce conduce la o creştere a efectului de armare.

Variaţia limitei de curgere a oţelului, funcţie de grosimea lamelelor constituiente ale perlitei, este prezentată în fig. 6.

Temperatura la care are loc transformarea austenitei poate determina grosimea lamelelor de perlită, timpul necesar ca transformarea să aibă loc şi chiar aranjamentul fazelor care apar.

Este de subliniat că transformarea austenitei - care în diagrama Fe-Fe3C se desfăşoară la 727oC, necesită o anumită perioadă de timp, în care temperatura poate fi schimbată radical din exterior. Astfel, scăderea temperaturii de transformare determină micşorarea continuă a grosimii lamelelor perlitei, datorită micşorării capacităţii de difuzie.

Figura VIII.6.Variaţia limitei de curgere a oţelului cu grosimea lamelelor perlitice

Este posibilă îmbunătăţirea proprietăţilor oţelurilor prin alierea cu alte elemente.

Efectele generale produse de elementele de aliere sunt prezentate în continuare:

un element de aliere intrând într-o soluţie solidă va creşte rezistenţa oţelului. O creştere a conţinutului de C va conduce la o creştere a rezistenţei dar şi la o pierdere importantă a ductilităţii acestuia. Majoritatea elementelor de aliere utilizate în oţeluri cresc rezistenţă acestuia fără a diminua semnificativ ductilitatea;

elementele de aliere modifică temperatura de transformare a Fe în Fe. Cr şi Si ridică acestă temperatură de transformare, iar Ni şi Mn o coboară.

Vor fi deci transformări similare şi în cazul oţelurilor. Este de subliniat că o cantitate mare de elemente de aliere în oţel, conduce la eliminarea unor transformări de fază, astfel încât oţelurile pot deveni în întregime feritice sau în întregime austenitice.

elementele de aliere pot forma carburi stabile. Mn, Cr, sunt câteva exemple de elemente care au o tendinţă puternică de a forma carburi; multe din aceste carburi au o duritate foarte mare;

5

Page 6: Metal BitUm Lemn

elementele de aliere pot provoca distrugerea cementitei, cu apariţia grafitului în structura oţelului. Ni şi Si au această tendinţă şi de aceea nu sunt folosite ca elemente de aliere în oţelurile cu conţinut ridicat de C;

elementele de aliere pot împrumuta din caracteristicile lor oţelurilor. Astfel, Cr care este un metal rezistent la coroziune, este folosit pentru realizarea oţelurilor rezistente la coroziune, în adaosuri de peste 12%.

Tratamente aplicate oţelurilor

Tratamente termice aplicate oţelurilorTratamentele termice cele mai uzuale sunt: recoacerea de cristalizare - se aplică oţelurilor cu un conţinut de

carbon mai mic de 0.25%, prelucrate la rece, în scopul reducerii efectelor acesteia.

Tratamentul constă în încălzirea oţelului la temperaturi cu 80-170oC sub A1 urmată de răcire lentă ( I-fig. 8.a);

recoacerea - constă în încălzirea oţelului la o temperatură convenabilă, urmată de o răcire lentă ce favorizează formarea unor cristale grosiere de perlită. Pentru oţeluri hipoeutectoide se utilizează încălziri cu 30oC peste A3 (II-fig. VIII.8 a), când se obţine austenită; prin răcire lentă se obţin cristale grosiere de perlită şi ferită, oţelul rezultat fiind moale şi ductil. Oţelurile hipereutectoide sunt încălzite până la o temperatură cu 30oC mai mare decât A1(II-fig. VIII.8 b). La această temperatură se formează austenită în jurul cristalelor de Fe3C, la răcirea lentă obţinându-se o matrice discontinuă de cementită ce înglobează perlita grosieră. Dacă încălzirea s-ar fi făcut peste Acm

atunci matricea de Fe3C formată la răcirea lentă ar fi fost continuă, iar oţelul rezultat, dur şi casant.

Figura 8 Tratamente termice aplicate oţelurilor în diagrame temperatură - timp

6

Page 7: Metal BitUm Lemn

normalizarea - se realizează prin încălzirea oţelurilor cu 55oC peste A3 sau Acm, urmată de răcire în aer (III-fig 8. a, b). Se formează o perlită mai fină, iar în cazul oţelurilor hipereutectoide, datorită vitezei ridicate de răcire, Fe3C nu are timp să formeze un film continuu la marginea grăunţilor cristalini de austenită.

globulizarea - este un tratament aplicat oţelurilor cu un conţinut ridicat de carbon, în scopul îmbunătăţirii prelucrabilităţii. Constă dintr-o încălzire îndelungată la aproximativ 30oC sub A1, când Fe3C se transformă în particule sferice datorită tendinţei de micşorare a energiei superficiale a sistemului (I-fig 8. b). Se obţine o structură alcătuită dintr-o matrice continuă de ferită, moale şi uşor de prelucrat armată cu particulele sferice de cementită.

călirea – implică răcirea rapidă în apă sau ulei a oţelului încălzit la o temperatură ridicată, în scopul obţinerii unei structuri martensitice; pentru îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice se poate aplica ulterior un tratament de revenire.

Tratamente termochimice

Tratamentele termochimice constau în încălzirea oţelurilor în diverse medii, în scopul obţinerii în stratul superficial a unor caracteristici compoziţionale şi mecanice dorite. Sunt utilizate frecvent cementarea, nitrurarea şi cianurarea.

Cementarea se aplică oţelurilor cu conţinut redus de carbon în scopul creşterii conţinutului acestuia în stratul superficial şi implicit a durităţii şi rezistenţei la uzură.

Nitrurarea se bazează pe formarea în stratul superficial a unor nitruri foarte dure, cu Fe şi elementele de aliere din oţel.

Cianurarea îmbină avantajele cementării şi nitrurării, prin utilizarea concomitentă a unei surse de C şi de N - o cianură alcalină. Prelucrarea mecanică a oţelurilor

Prelucrarea mecanică a metalelor se bazează pe plasticitatea acestora, deformarea şi transformarea în piese utile putând fi realizată atât la cald cât şi la rece.

Prelucrarea la rece produce o alungire a grăunţilor cristalini în direcţia principală de deformare precum şi ecruisaj. Metalele prelucrate la rece au o duritate superioară, o capacitate de deformare redusă şi o structură în care sunt prezente microfisuri.

Prelucrarea la cald permite obţinerea unor deformări mai mari (care puteau fi obţinute la rece doar în mai multe trepte) prin încălzirea oţelului cu 50-60oC sub temperatura de topire urmată de deformarea mecanică. Se obţin piese lipsite de microfisuri şi ecruisaj, la temperatura de lucru având loc o recristalizare.

Subiect…… Oţeluri tehnice

VIII.1.1.4.1. Definire. Clasificări.

Oţelurile sunt, din punct de vedere tehnic, aliaje ale fierului cu mai puţin de 2%C; pentru unele oţeluri cu Cr, conţinutul de C poate depăşi 2%.

7

Page 8: Metal BitUm Lemn

Oţelurile pot fi clasificate funcţie de compoziţia chimică în aliate şi nealiate, limitele dintre acestea fiind prezentate în tabelul 1.

La rândul lor, oţelurile aliate şi nealiate sunt împărţite în clase de calitate.

Oţelurile nealiate pot fi: oţeluri nealiate de uz general - care sunt obţinute prin procedee de

elaborare obişnuite şi nu necesită tratament termic (excepţie recoacerea şi normalizarea), nu au condiţii speciale de calitate sau de compoziţie chimică, au o rezistenţă la rupere minimă 690 N/mm2, limită de curgere minimă 360 N/mm2, rezilienţă la 20oC 27J;

oţeluri nealiate de calitate - care au prescripţii de calitate mai severe decât cele de uz general;

oţeluri nealiate speciale - care au o puritate superioară oţelurilor nealiate de calitate, fiind destinate tratamentului termic de călire-revenire sau durificare superficială, comportarea lor la aceste tratamente fiind în general specificată.

Oţelurile aliate pot fi: oţeluri aliate de calitate - care au o compziţie chimică în care unul din

elemente depăşeşte limita din coloana 2 din tab 1, fiind destinate utilizării fără tratament termic de călire-revenire sau călire superficială;

oţeluri aliate speciale, cu o compoziţie chimică riguros stabilită şi care pot fi:

oţeluri inoxidabile, cu un conţinut de C 1.2% şi minimum 10.5%Cr; oţeluri rapide, caracterizate de un conţinut de C mai mare de 0.6%,

Cr 3-6%, iar suma Mo+W+V mai mare de 7%, fiind utilizate pentru producţia de scule aşchietoare.

Simbolizarea claselor de oţeluri este în prezent în revizuire, normele europene prevăzând utilizarea:

Tabelul 1. Limitele compoziţionale dintre oţeluri nealiate, aliate şi aliate specialeElement Valoare limită oţel nealiat-aliat

(%)Valoare limită oţel aliat de calitate-

otel aliat specialAl 0.10 -B 0.0008 -Bi 0.10 -Co 0.10 -Cr 0.30 0.50Cu 0.40 0.50Lantanide (fiecare) 0.05 0.06Mn 1.65 1.80Mo 0.08 0.10Nb 0.06 0.08Ni 0.30 0.50Pb 0.40 -Se 0.10 -Si 0.50 -Te 0.10 -Ti 0.05 0.12V 0.10 0.12W 0.10 -Zr 0.05 0.12Altele (fiecare) 0.05 0.05

8

Page 9: Metal BitUm Lemn

sistemului alfanumeric, ce utilizează litere şi numere pentru a descrie domeniul de utilizare, proprietăţile mecanice sau compoziţia chimică.

Simbolizarea cuprinde: litera S pentru oţel pentru construcţii, urmată de valoarea minimă a

limitei de curgere în N/mm2; litera B pentru oţel beton, urmată de valoarea minimă a limitei de

curgere în N/mm2; litera Y pentru beton precomprimat, urmată de valoarea minimă a

rezistenţei la tracţiune în N/mm2; litera R pentru oţel pentru şine, urmată de valoarea minimă a

rezistenţei la tracţiune în N/mm2.Se pot utiliza după acest grup principal de simboluri alfanumerice şi

altele care să ofere, de exemplu, informaţii despre rezilienţa la diferite temperaturi.

sistemului numeric, care utilizează cifre ce corespund unor clase de oţeluri funcţie de proprietăţile mecanice, domeniul de utilizare, compoziţia chimică.

Oţelurile sunt utilizate în construcţii sub formă de table, platbande, profile, sârme, ţevi, plase sudate, nituri, şuruburi şi piuliţe, cabluri de oţel, oţel beton laminat la cald, cu profil neted sau periodic.

Oţelul betonOţelul beton este unul din produsele cu ponderea cea mai mare din

producţia mondială de oţel – peste 20%. Cerinţele impuse oţelului beton sunt: rezistenţe ridicate; o bună aderenţă la beton; sudabilitate bună; ductilitate bună.Rezistenţele mecanice ridicate presupun o limită de curgere minimă de

400-500N/mm2.Aderenţa bună la beton se realizează printr-o amprentare a profilului,

rezultând oţelul profilat periodic PC.Sudabilitatea oţelului beton este necesară pentru o punere uşoară în

operă şi evitarea apariţiei în vecinătatea secţiunii sudurii a unor zone cu fragilitate ridicată, ce ar putea conduce la ruperi fragile.

Criteriul de evaluare a sudabilităţii oţelului este “carbonul echivalent” Ce:

(2)

Un oţel este cu atât mai sudabil cu cât Ce este mai mic, valorile maxim admise fiind 0.42% în ISO şi 0.50% în EN.

Ductilitatea este necesară pentru punerea în operă a oţelului beton- îndoirea, răsucirea, cât şi pentru prevenirea formării şi propagării fisurilor. Ductilitatea se evaluează funcţie de valorile alungirii la rupere sau gâtuirii, normele ISO prevăzând o valoare minimă de 14% a alungirii la rupere, iar normele EN de 5%.

Pentru obţinerea caracteristicilor menţionate ale oţelului beton, există preocupări intense, concretizate în câteva procedee deja în uz. Dintre acestea, cel mai ieftin şi cu rezultatele cele mai bune, constă într-un tratament termomecanic de laminare şi răcire strict controlată.

9

Page 10: Metal BitUm Lemn

SUBIECT…. COROZIUNEA ŞI PROTECŢIA SUPRAFEŢEI OŢELURILOR

Coroziunea metalelor. ClasificăriCoroziunea este una din cauzele principale ce determină scoaterea din

uz a pieselor, instalaţiilor şi lucrărilor din metal. Oţelul carbon este vulnerabil la acţiunea corozivă a acizilor, gazelor şi umezelii atmosferice. Oţelul carbon folosit în medii în care este posibilă apariţia acţiunilor corozive trebuie protejat prin acoperiri, înlocuit cu oţeluri rezistente la coroziune sau metale neferoase.

Coroziunea poate fi generală sau localizată. Coroziunea generală poate fi uniformă - adâncimea de penetrare fiind

aceeaşi (fig. 9. a), sau neuniformă (fig.9. b). Coroziunea localizată poate fi:

în pete (fig. 9. c); în puncte (fig.9. d); pungi deschise în interior (fig.9. e).

Figura 9. Reprezentarea tipurilor de coroziune

După modul de distrugere a structurii metalului, coroziunea poate fi: intercristalină (fig.10. a); selectivă (fig.10.b); transcristalină (fig.10.c).

Figura 10. Reprezentarea modurilor de distrugere a structurii metalului

Coroziunea poate fi chimică şi electrochimică (urmare a apariţiei unor curenţi electrici).

10

Page 11: Metal BitUm Lemn

Coroziunea chimicăToate metalele au o afinitate pentru oxigen, majoritatea metalelor fiind

obţinute din oxizii lor, care constituie în principal, starea în care se găsesc în natură.

Metalele se combină cu oxigenul formând un strat de oxizi la suprafaţă. Coroziunea apare datorită prezenţei umidităţii în aer, viteza de

coroziune fiind mărită în prezenţa unor impurităţi ca acizi şi gaze (SO2). Fierul şi oţelul formează la suprafaţă un strat roşiatic de oxizi, numit

rugină, strat care este poros şi uşor penetrat de oxigen, astfel încât procesul de oxidare continuă până la distrugerea completă a metalului.

Distrugerea gradată a metalului poate conduce la un moment dat la cedarea structurii de rezistenţă sub acţiunea încărcărilor exterioare. Odată începută, ruginirea continuă cu o viteză depinzând de umiditatea, precum şi de cantitatea de impurităţi prezente în aer.

Pentru stoparea procesului de ruginire, se utilizează tratamente cu substanţe - inhibitori de coroziune sau îndepărtarea completă a ruginii şi protejarea metalului cu un strat de vopsea.

Unele metale neferoase ca aluminiul, plumbul sau titanul, au o mare afinitate pentru oxigen şi formează rapid un strat de oxizi atunci când sunt în contact cu aerul. Acest film de oxizi este dens şi aderent, împiedicând oxidarea în profunzime a metalului. Acest strat dens şi aderent este responsabil de buna rezistenţă la coroziune a acestor metale.

Cuprul şi zincul formează de asemenea filme protectoare de oxizi, care însă sunt întărite de produşii rezultaţi în urma unor reacţii chimice cu impurităţile acide din aer, rezultând suprafeţe foarte rezistente la coroziune.

Rezistenţa la coroziune a oţelului este mult îmbunătăţită de alierea cu Cr, în cantităţi de până la 20%, care produce la suprafaţa aliajului un strat subţire dar aderent de oxizi protectori. Aceste aliaje se numesc oţeluri inoxidabile şi sunt utilizate în principal în industria chimică şi alimentară. Coroziunea electrochimică

Când două metale diferite, imersate într-un electrolit lichid, sunt aşezate la mică distanţă unul de celălalt, apare un curent electric. În pila electrochimică cu electrozi de zinc şi cupru, Zn se află la un potenţial negativ faţă de soluţie şi electrodul de cupru şi se corodează.

Când două metale sunt în contact în prezenţa umidităţii, apa ce conţine substanţe dizolvate acţionează ca un electrolit lichid şi metalul care are potenţialul mai negativ decât celălalt va fi corodat. În orice pereche de două metale, cel care va fi corodat este decis de poziţia sa (de potenţialul său de electrod) în seria electrochimică prezentată în tabelul 2.

Metalul ce constituie electrodul unei celule electrochimice, care are potenţialul de electrod mai negativ este denumit anodic faţă de celălalt.

Într-o celulă electrochimică, anodul este cel ce suferă procesul de coroziune.

De exemplu, oţelul (-0.44V) este anodic faţă de staniu (-0.14V); dacă stratul protector de staniu se degradează local şi apa este în contact cu amândouă metalele, atunci oţelul va fi corodat.

În procesul de galvanizare, tabla de oţel este protejată prin acoperire cu zinc. Dacă stratul protector de zinc este deteriorat parţial şi apa ajunge în contact cu cele două metale, apare coroziunea electrochimică, de această dată fiind corodat zincul.

11

Page 12: Metal BitUm Lemn

Acest tip de protecţie poartă numele de protecţie cu anod de sacrificiu, fiind utilizată şi la protecţia instalaţiilor îngropate, a şasiurilor autovehiculelor, a carenelor navelor, etc.

Tabelul 2. Potenţialul de electrod pentru unele metale

Metal Potenţial de electrod (V)Magneziu -2.38Titan -1.75Aluminiu -1.68Zinc -0.76Crom -0.56Fier/oţel -0.44Cadmiu -0.40Nichel -0.22Staniu -0.14Plumb -0.13Cupru 0.40Argint 0.80Platină 1.20Aur 1.50

Coroziunea poate fi cauzată şi de eterogenităţile fizice sau chimice ale metalului. Viteza de coroziune va depinde de temperatură, felul şi concentraţia electrolitului. Acizii şi bazele atacă oţelul deoarece sunt capabile să dizolve produşii de reacţie rezultaţi.

Protecţia suprafeţei oţelurilorOţelul este foarte utilizat în majoritatea activităţilor din construcţii, el

fiind totuşi foarte vulnerabil în faţa acţiunilor corozive ale mediului, astfel încât el trebuie protejat prin acoperiri anticorozive.

Principalele metode de protejare a suprafeţei oţelului sunt: acoperirea cu uleiuri, unsori sau inhibitori de coroziune; vopsire; placări cu metale rezistente la coroziune; acoperiri metalice; acoperiri prin electrodepunere; acoperiri cu materiale plastice. prelucrare la cald - când oţelul este prelucrat la cald, la

temperaturi înalte, de exemplu laminarea, se formează la suprafaţa lui un strat compus din oxid negru de fier, rezultat din combinarea Fe cu O. Acest strat este dens şi aderent, prevenind contactul dintre oţel şi oxigen.

Uleiurile şi unsorile - uleiurile minerale şi unsorile utilizate ca lubrifianţi protejează suprafaţa pe care sunt întinse, împiedicând apa să condenseze şi să intre în contact cu metalul. Aceste materiale oferă protecţie numai pe o perioadă limitată de timp.

Inhibitorii de coroziune - pot fi adăugaţi uleiurilor minerale pentru a obţine uleiuri anticorozive care pot asigura o protecţie pe o periodă mai lungă.

Vopsirea - este protejarea oţelului prin acoperirea suprafeţei sale cu un strat de vopsea sau un material ce nu se oxidează, ca bitum, asfalt. Înaintea vopsirii, suprafaţa metalului trebuie curăţată temeinic de stratul de oxizi, rugină, grăsimi.

12

Page 13: Metal BitUm Lemn

Acoperirea cu vopsea trebuie privită ca o protecţie semipermeabilă, deoarece vopsirea trebuie repetată periodic pentru a preveni atacul coroziv ce apare în locurile în care vopseaua s-a fisurat sau a fost îndepărtată accidental.

Este utilizată cu bune rezultate, fosfatarea suprafeţelor degresate, înainte de vopsire.

Placările cu metale rezistente la coroziune - utilizează metale neferoase sub formă de foi, pentru protejarea suprafeţei metalului. Tabla de oţel este introdusă între două foi de metal neferos rezistent la coroziune şi este apoi laminată la grosimea dorită.

Acoperirile metalice - pot fi realizate utilizând mai multe metode: cimentarea pulberilor neferoase; imersare în baie de metal topit; pulverizare.Cimentarea pulberilor neferoase este procesul în care oţelul este

încălzit pentru câteva ore în strâns contact cu pulberea de metal neferos. Temperatura este menţinută puţin sub temperatura de topire a metalului neferos. Pulberea neferoasă se cimentează de suprafaţa oţelului prin difuziune şi formează un strat compact .

Imersarea în baie de topitură se aplică în cazul acoperirii metalului cu staniu sau zinc.

Pulverizarea unei topituri metalice este metoda prin care oţelul poate fi acoperit cu metale neferoase, în special aluminiu şi zinc. Metoda constă în împrăştierea topiturii metalice, în picături mici (spraiere) utilizând un dispozitiv special.

Electrodepunerea este un proces ce constă în acoperirea oţelului cu un strat de metal neferos, utilizând pentru aceasta procedee electrochimice. Dintre metalele utilizate pentru acoperiri, cele mai utilizate sunt: staniu, zinc, cupru, crom, nichel, cadmiu.

Acoperirile cu materiale plastice - o gamă largă de materiale plastice poate fi folosită pentru obţinerea de învelişuri pentru oţel, rezistente la coroziune.

Aceste acoperiri permanente exclud contactul dintre oţel şi atmosferă, împiedicând apariţia coroziunii.

Aceste învelişuri sunt rezistente şi la alte tipuri de atac chimic şi pot avea proprietăţi antiaderente, care le fac foarte utile în unele domenii ale industriei.

Acoperirile cu materiale plastice se pot aplica prin imersare în topitură, pulverizare, sau manual, având următoarele avantaje faţă de acoperirile metalice:

proprietăţi decorative combinate cu o senzaţie plăcută la atingere; izolator electric; termoizolatori; umplu golurile şi neuniformităţile metalului de bază; rezistenţă bună la agenţii corozivi ai metalelor.

SUBIECT…. FONTA TEHNICĂ ŞI ALTE METALE NEFEROASE

Fontele, definite tehnic, sunt aliajele fierului ce conţin peste 2% C, conţinutul în elemente de aliere fiind limitat la 30% pentru Mn, 8% pentru Si, 3% pentru P, 10% pentru Cr şi 10% per total pentru alte elemente de aliere.

13

Page 14: Metal BitUm Lemn

Cantitatea de C este, în general, mai mică de 5%, în unele fonte speciale putând fi însă mai mare. Si, Mn, P, S, sunt elementele care afectează puternic proprietăţile fontei.

Funcţie de forma în care se găseşte C în aliaj, fontele se clasifică în fonte gri şi albe.

În fontele gri, C se găseşte sub formă de grafit, iar în fontele albe se găseşte legat, sub forma de cementită Fe3C. Lamelele de grafit sunt principalele formaţiuni care influenţează negativ rezistenţa fontei.

Fonta gri modificată are proprietăţi mecanice superioare datorită faptului că grafitul se găseşte sub formă de granule sferice (grafit nodular), bine dispersate în masa fontei.

Fontele se clasifică în aliate şi nealiate, cele nealiate fiind clasificate la rândul lor în:

fonte de afinare – utilizate la obţinerea oţelurilor; fonte de turnătorie.Clasificarea şi simbolizarea fontelor (fontă brută=pig iron, în engleză)

funcţie de caracteristicile compoziţionale sunt prezentate în tabelul 3.Tabelul 3. Clasificarea şi simbolizarea fontelor

Clase de fonte bruteDenumirea Simbolizare %Ctotal %Si %Mn %P %S, max

Nealiate

Fontă de afinare

Cu conţinut redus de P

Pig – P2 3.3-4.8 1 0.4-6 0.25 0.06

Cu conţinut ridicat de P

Pig – P20 3-4.5 1.5 1.5-2.5 0.08

Fontă de turnăto-

rie

Pig – P1Si

3.3-4.5 1-4 0.4-1.5

0.12

0.06Pig – P3Si 0.12-0.5Pig – P6Si 0.5-1

Pig – P1 2Si 1-1.4Pig – P1 7Si 1.4-2

Cu grafit nodular Pig – Nod

3.5-4.6

3 0.1 0.080.03

Cu grafit nodular şi Mn ridicat

Pig – Nod Mn

4 0.1-0.4

Cu C scăzut Pig – LC 2-3.5 3 0.3 0.06

Alte fonte nealiate Pig - SPUAliate Aliate Fontă Spiegel Pig – MN 4-6.5 max.1.5 6-30 0.3 0.05

Alte fonte aliate Pig - SPA

Metale neferoaseMetalele neferoase se clasifică funcţie de densitatea lor în uşoare şi

grele. Aliajele neferoase uşoare sunt bazate pe aluminiu, magneziu, iar cele grele pe cupru, nichel, zinc.

Cele mai utilizate metale neferoase sunt plumbul, staniul, zincul, cuprul şi aluminiul.

În stare pură toate aceste metale sunt mult mai moi şi mai puţin rezistente ca oţelul (tab. 4.). Sunt utilizate pentru alte proprietăţi cum ar fi conductivitatea electrică, rezistenţa la coroziune. Tabelul 4. Caracteristicile mecanice ale unor metale

Material Rezistenţa (daN/mm2)la: tracţiune compresiune

Aluminiu 10 10Cupru 21.5 30Zinc aliat 20 15Fontă 15 60Oţel cu %C scăzut 35 35Oţel cu %C mediu 60 60Oţel Ni-Cr 120 120

Plumbul

14

Page 15: Metal BitUm Lemn

Plumbul este un metal moale şi maleabil, de mare densitate. Are o rezistenţă scăzută, o mare rezistenţă la coroziune şi o bună

conductivitate termică şi electrică. Suprafaţa lui este acoperită de un strat de oxid, ce îi dă culoarea gri. Plumbul este uşor de turnat, extrudat şi tăiat. Are o rezistenţă la

tracţiune de 1.8daN/mm2, duritatea între 4 şi 8 HBN. Punctul de topire este 327oC iar densitatea de 11.4g/cm3. Este utilizat la realizarea acoperişurilor, în instalaţii de apă, etc.

Staniul Staniul este un metal scump care este utilizat ca element de aliere sau

pentru acoperirea oţelului. Staniul pur este moale, maleabil şi ductil si are o rezistenţă scăzută. Este bun conductor de căldură şi electricitate şi posedă o bună

rezistenţă la coroziune.Este argintiu, uşor de tăiat, turnat sau prelucrat la rece. Are o rezistenţă

la tracţiune de 1.5daN/mm2, duritatea între 5 şi 10 HBN. Punctul de topire este 232oC iar densitatea de 7.3g/cm3. Este utilizat la realizarea acoperirilor în industria alimentară. Staniul este aliat cu cupru pentru a produce bronzuri rezistente la

coroziune.Zincul

Zincul este un metal moale, având o ductilitate scăzută dar o foarte bună rezistenţă la coroziune. Are o culoare argintie cu nuanţe albastre – verzi.

Este utilizat în principal ca element de aliere sau ca element de acoperire anticorozivă pe tabla de oţel, pe care este aplicat prin galvanizare.

Oxidul alb de zinc este folosit ca pigment în vopsitorie. Zincul are o rezistenţă la tracţiune de 6 daN/mm2, duritatea 80 HBN. Punctul de topire este 420oC, iar densitatea de 7.1g/cm3.

Cuprul Cuprul în stare pură are o rezistenţă medie şi duritate scăzută, dar rezistenţă la coroziune şi ductilitate bună.

Este un foarte bun conducător de căldură şi electricitate. Cuprul este un element de aliere important, formând alama cu zincul şi

bronzul cu staniul. Are o rezistenţă la tracţiune de 21.5 daN/mm2, ductilitatea 25%, duritatea 40 HBN.

Punctul de topire este 1083oC iar densitatea de 8.9g/cm3. Este utilizat ca şi conductor electric, la acoperişuri, etc.

Aluminiul Aluminiul este un material uşor, moale şi ductil. În stare pură este prea

moale şi prea slab pentru a putea fi utilizat; în scopul creşterii proprietăţilor mecanice este aliat cu Cu sau alte metale.

Este un foarte bun conducător de căldură şi electricitate şi are o foarte bună rezistenţă la coroziune.

În aer se acoperă cu un film subţire de oxid ce îi conferă culoarea gri – luminos, dar în tăietură proaspătă este argintiu.

Are o rezistenţă la tracţiune de 10daN/mm2, rezistenţa la compresiune de 10 daN/mm2, ductilitatea 30%, duritatea 40 HBN.

Punctul de topire este 660oC, iar densitatea de 2.7g/cm3.Este folosit ca strat reflectorizant, la fabricarea oglinzilor, finisaje,

instalaţii electrice, de apă şi încălzire; utilizarea cea mai importantă este aceea de bază a unui număr de aliaje uşoare foarte rezistente.

15

Page 16: Metal BitUm Lemn

Capitolul X. MATERIALE BITUMINOASE

Materialele bituminoase sunt bitumurile şi gudroanele utilizate ca atare, sau împreună cu alte materiale, ca lianţi pentru mortare şi betoane asfaltice, materiale de învelitori, de izolaţii hidrofuge şi electrice, de protecţie anticorozivă, de impregnare etc.

X.1. BITUMURILE

Bitumurile sunt materiale naturale sau artificiale de natură organică, de consistenţă variabilă (de la lichid vâscos la solide casante) şi de culoare brun-negru. Bitumul amestecat cu pulberi minerale se numeşte asfalt.

În natură bitumurile se găsesc sub formă de depozite în scoarţa terestră, sub formă de lacuri (asfalt de lac), îmbibând diferite roci (bitum de rocă, şisturi bituminoase) sau zăcămintele de cărbuni (bitum de cărbuni).

Bitumurile artificiale se obţin din prelucrarea prin cracare a păcurii parafinoase (bitum de cracare) sau prin distilarea păcurii asfaltoase (bitum de petrol – care prin oxidare-suflare formează bitumul suflat, material de calitate superioară).

XI.1.1. Compoziţia chimică a bitumurilor

Bitumurile sunt amestecuri complexe de hidrocarburi (alcani, cicloalcani, aromatice, naftenice), derivaţi cu oxigen (acizi graşi, acizi naftenici, anhidride etc.), cu sulf (derivaţi din hidrocarburi), azot (compuşi complecşi cu masă moleculară mare), derivaţi heterociclici în care sunt conţinuţi şi ioni metalici (Ni, V, Cu, Fe).

Complexitatea compoziţiei nu permite separarea din bitum a componenţilor chimici individuali.

Prin metode chimice şi fizico-mecanice de investigaţie (separare prin dizolvare selectivă, cromatografie, difuziune termică) s-au putut separa din bitum grupe de componenţi, care s-au studiat, stabilindu-se caracteristicile lor.

Un mod frecvent utilizat de fracţionare a bitumului este dizolvarea selectivă, utilizând ca solvent normal-heptanul. Prin tratare cu n-heptan, bitumul se fracţionează în:

Solubil în heptan, denumit maltene, alcătuit din molecule organice cu mase moleculare cuprinse între 250 – 1250. Maltenele la rândul lor pot fi fracţionate (prin cromatografie) în fracţie uleioasă, formată preponderent din hidrocarburi cu un conţinut variabil de derivaţi cu sulf şi o fracţie vâscoasă (răşini) alcătuită din compuşi heteroatomici (conţinând O, S, N) şi hidrocarburi policiclice grele.Fracţia uleioasă (petrolene) reprezintă 40 – 60 % din masa bitumului şi este alcătuită în principal din hidrocarburi naftenice şi aromatice, mono sau policiclice (asemănătoare celor existente în uleiurile minerale utilizate ca lubrefianţi). Uleiurile conţin şi hidrocarburi parafinice (alcani) precum şi derivaţi cu sulf (tionaftene, derivaţi sulfuraţi ai hidrocarburilor aromate etc.).Răşinile conţin compuşi policiclici saturaţi, aromatici sau cu heteroatomi (O, S, N). Ele pot conţine şi compuşi cu caracter acid (acizi carboxilici; fenoli) sau cu caracter bazic (derivaţi cu azot), cu caracter polar.

16

Page 17: Metal BitUm Lemn

Compuşii organici din răşini, sunt relativ bogaţi în hidrogen (raportul H/C = 1,41 – 1,66) şi am un caracter aromatic mai puţin pronunţat decât asfaltenele.

Insolubil în heptan, denumit asfaltene, alcătuit din substanţe organice cu masă moleculară mai mare de 900, de regulă de ordinul 103 – 104. Asfaltenele reprezintă 10 – 30 % din masa bitumului. Moleculele ce le alcătuiesc au tendinţa de asociere cu formare de structuri micelare. Edificiile moleculare ce alcătuiesc asfaltenele pot fi asimilate cu polimeri, cu grad de polimerizare relativ mic (n 10), ceea ce explică masa moleculară mare. Speciile moleculare ce alcătuiesc asfaltenele se pot diferenţia după scheletul carbonic, plasarea heteroatomilor (O, N, S) sau a grupărilor funcţionale (–COOH; –CH; –COO).

Proprietăţile bitumurilor sunt determinate de compoziţia chimică, atât de natura speciilor moleculare, cât şi de raportul în care acestea se găsesc în bitum.

Compoziţia bitumurilor variază în limite largi, ea fiind dependentă de natura materiei prime (tipul de petrol) şi tehnologia de obţinere.

Compoziţia bitumurilor de petrol se poate înscrie în următoarele limite: petrolene 40 – 65 %, maltene 18 – 40 %, asfaltene 15 – 30 %. Proprietăţile bitumurilor sunt determinate de proporţia dintre componenţi.

X.1.2. Structura fizică a bitumurilor

Bitumurile sunt sisteme coloidal disperse, care în funcţie de compoziţie sau temperatură pot fi de tip sol, sol-gel sau gel (fig. X.1.1.). Fiecare tip de structură se caracterizează prin proprietăţi reologice specifice.

Figura X.1. Transformări sol-gel în structura bitumurilor

La temperaturi obişnuite structura bitumurilor este micelară. Faza intermicelară este formată dintr-o dispersie de răşini în petrolene. Conţinutul

17

Page 18: Metal BitUm Lemn

micelar este variabil pentru diferite tipuri de bitum şi la diferite temperaturi. Particula coloidală poate avea caracter liofil (fig. X.2 a) sau liofob (fig. X.2 b), în funcţie de absenţa sau prezenţa acizilor organici în bitum.Figura X.2. Structura micelelor bitumurilor: micelă liofilă (a) şi liofobă (b)

a b

Asfaltenele formează nucleul particulei. Ele reţin pe suprafaţă maltenele, faţă de care au o mare putere de absorbţie. În cazul particulei liofobe acizii se reţin odată cu maltenele şi disociază în stare absorbită.

Echilibrul adsorbţie–desorbţie asfaltene–maltene, dă stabilitate sistemului şi depinde de raportul dintre fazele participante la proces, de compoziţia lor chimică, de structură şi de temperatură.

Creşterea temperaturii poate duce la dispariţia micelelor şi la starea nemicelară a bitumurilor (fig. X.3).

Figura X.3. Starea micelară şi nemicelară a bitumurilor

Transformările care au loc în complexul coloidal care este bitumul, se reflectă în caracteristicile fizico-chimice ale acestui material.

Astfel, creşterea conţinutului în asfaltene duce la creşterea punctului de înmuiere; scăderea conţinutului micelar (prin adaos de solvenţi sau ridicarea temperaturii) duce la reducerea vâscozităţii şi în final la fluidificare (la 160 – 180° C).

În utilizările lui în construcţii bitumul trece prin toate stările şi tipurile de structuri, dar în exploatare se utilizează mai ales în starea de gel.

18

Page 19: Metal BitUm Lemn

X.1.3. Proprietăţile bitumurilor

X.1.3.1. Deformaţiile bitumurilor

La solicitări de scurtă durată, bitumul are o comportare elastică cu atât mai pronunţată cu cât temperatura este mai joasă.

La temperaturi ridicate (dar sub punctul de picurare) şi la solicitări de durată, deformaţia bitumului este parţial elastică şi parţial, dar preponderent, plastică (asociată cu tixotropie).

Dacă durata de acţiune a forţei este mare se produce curgerea lentă a bitumului. Dacă intensitatea solicitării scade în timp apare relaxarea materialului, deformaţiile se reduc.

Această comportare la solicitări este determinată de structura gelică, de natura forţelor de legătură din gel, de mutaţiile ce pot apare în structura bitumului.

Proprietăţile reologice ale bitumurilor sunt transmise materialelor de construcţie pe bază de bitum, cu unele modificări şi atenuări introduse de celelalte componente ale acestor materiale.

X.1.3.2. Adeziunea

Adeziunea este tensiunea interfacială la limita de separaţie lichid-solid. Forţa necesară separării suprafeţelor în contact se numeşte forţă de adeziune.

Adeziunea bitumului la suporturi solide este determinată de compoziţia bitumului (parafinele scad adeziunea), dar mai ales de natura suprafeţei solide. Este un fenomen de adsorbţie-chemosorbţie ce poate fi intensificat prin adaos de substanţe tensioactive (aditivi).

Adeziunea se poate defini şi ca efortul necesar pe unitate de suprafaţă pentru a detaşa liantul de pe suport.

X.1.3.3. Adezivitatea

Adezivitatea este adeziunea bitumului faţă de suprafeţele solidelor în prezenţa apei şi este condiţionată de natura suprafeţei.

Dacă solidul este hidrofil, apa se interpune între suprafaţa acestuia şi bitum şi împiedică adeziunea.

Dacă suprafaţa este hidrofobă (oleofobă) adeziunea bitumului este bună şi în prezenţa apei.

Solidele de natură acidă sau cu încărcare electronegativă (cuarţ, argilă, granite, sticla etc.) sunt mai hidrofile decât cele bazice sau cu încărcare electropozitivă (betoane, roci bazice etc.). Din această cauză bitumul aderă mai bine de suporturi bazice.

X.1.3.4. PROPRIETĂŢILE FIZICE ALE BITUMURILOR

Densitatea bitumului este de circa 1000 kg/m3 şi depinde de compoziţia lui chimică. Ea creşte cu creşterea procentului în compuşi aromatici şi derivaţi cu sulf şi cu scăderea conţinutului în compuşi saturaţi.

19

Page 20: Metal BitUm Lemn

Consistenţa bitumului se referă la relaţia de dependenţă dintre deformaţia specifică şi solicitările ce produc această deformaţie.

Consistenţa este determinată de forţele de coeziune dintre particulele (moleculele) constituente ce se opun deformării materialului.

Consistenţa bitumurilor în stare lichidă se apreciază prin vâscozitate şi reprezintă rezistenţa opusă curgerii de către forţele de frecare internă (vâscozitate dinamică). În practică, vâscozitatea se măsoară convenţional ca vâscozitate relativă (Engler) şi este dependentă de temperatură.

Pentru bitumul solid, vâscozitatea, respectiv consistenţa, se apreciază prin metoda penetrometrică standard (prin adâncimea de pătrundere timp de 5 secunde a unui ac încărcat cu o greutate de 100 g în bitumul aflat la 25° C) şi este dependentă de temperatură şi de compoziţia chimică.

Consistenţa (măsurată penetrometric) scade cu creşterea conţinutului în asfaltene şi cu scăderea temperaturii.

Intervalul de plasticitate este zona de temperatură în care bitumul îşi păstrează proprietăţile plastice (nu curge şi nu devine casant).

El se caracterizează prin limită superioară (punct de picurare şi punct de înmuiere) şi inferioară (punct de rupere Frass).

Extinderea acestui interval depinde de compoziţia bitumului. Pentru ca bitumul să aibă proprietăţi plastice într-un domeniu mai larg de

temperatură se filerizează (se foloseşte un adaos de pulbere fină - filer), sau se aditivează.

Ductilitatea bitumului este aptitudinea lui de a se trage în fire şi depinde

de compoziţia chimică, structura bitumului, precum şi de temperatură. Dă indicaţii asupra modului de comportare a bitumului la variaţii de temperatură.

Absorbţia de apă este mică din cauza caracterului hidrofob al bitumului. Moleculele mici ale apei difuzează lent printre micelele mari ale bitumului, procesul fiind accelerat de agitaţia termică a dispersoidului coloidal. Saturarea cu apă intervine la 4 - 5 % apă difuzată în bitum.

Absorbţia de apă decurge cu mărire de volum şi are drept consecinţă scăderea adeziunii la suport. Pătrunderea apei poate fi diminuată prin ţinerea stratului de bitum sub presiune, care împiedică umflarea şi indirect absorbţia de apă (acesta este un mijloc de protecţie al hidroizolaţiilor cu bitum şi fundaţii).

Caracteristicile fizice ale bitumurilor se determină în baza standardelor în vigoare.

X.1.3.4.  PROPRIETĂŢILE CHIMICE ALE BITUMURILOR

Îmbătrânirea bitumurilor este un proces chimic complex ce duce la modificarea ireversibilă a compoziţiei chimice şi structurii bitumului, având drept consecinţă modificarea în rău a proprietăţilor bitumului, limitând durabilitatea tuturor materialelor pe bază de bitum.

Procesul de îmbătrânire are loc sub influenţa factorilor de mediu (oxigen atmosferic, variaţii de temperatură, electroliţi, radiaţii solare etc.).

Sub influenţa temperaturilor ridicate şi a oxigenului atmosferic, componenţii bitumului suferă procese de polimerizare şi dehidrogenare, ce pot ajunge până la transformarea lor în cărbune (petrolene răşini asfaltene cărbune – (carboide). Materialul devine casant, friabil.

20

Page 21: Metal BitUm Lemn

Viteza proceselor de îmbătrânire depinde de provenienţa şi de compoziţia chimică a bitumului precum şi de condiţiile externe.

Bitumurile naturale îmbătrânesc mai repede decât cele de petrol.Bitumurile oxidate (suflate) îmbătrânesc mai greu decât cele din alte

clase, deoarece componenţii sensibili la oxigen au suferit modificări structurale încă în timpul fabricaţiei.

Un conţinut mare în sulf sensibilizează bitumurile la acţiunea radiaţiilor ultraviolete accelerând procesele de îmbătrânire.

Bitumurile moi îmbătrânesc iniţial mai repede decât cele dure, dar rezistă timp mai îndelungat la acţiunea agenţilor atmosferici.

Procesul de îmbătrânire poate fi încetinit prin adaos de pulberi opace, absorbante de radiaţii ultraviolete (filiere) sau prin aditivarea bitumurilor.

Apa liberă existentă în bitum, prin îngheţ-dezgheţ repetat deformează bitumul şi accelerază fisurarea cauzată de îmbătrânire.

Comportarea bitumului la agresiune chimică - bitumurile rezistă bine la acţiunea mediilor agresive (acide, slab bazice, soluţii saline şi amestecate) ceea ce le face utilizabile la protecţia anticorozivă.

Stabilitatea chimică a bitumului se reduce sub acţiunea luminii, temperaturilor ridicate şi oxigenului. Din această cauză protecţiile cu bitum sunt mai rezistente (eficiente) în absenţa acestor factori (la lucrări îngropate).

Rezistenţa bitumului la agresiune poate fi mărită prin aditivarea lui cu materiale din polimeri organici (poliizobutenă, răşini epoxidice), care modifică favorabil şi alte proprietăţi (rezistenţele mecanice, stabilitatea la încălzire, în cazul răşinilor epoxidice).

Bitumul se poate degrada sub acţiunea biologică a unor microorganisme, acţiune ce poate fi frânată prin adăugarea de fungicide (fungitox), mai ales în hidroizolaţiile cu bitum executate în subteran.

X.1.4. Materiale bituminoase utilizate în construcţii

X.1.4.1. BITUMURI SIMPLE

În această grupă intră diferite tipuri de bitum (de lac, de extracţie sau natural, de petrol etc.) utilizate la cald pentru hidroizolaţii, protecţii anticorozive, ca liant pentru realizarea mortarelor şi betoanelor asfaltice.

Bitumurile de petrol după provenienţă şi compoziţie se clasifică în parafinoase şi neparafinoase.

După utilizări bitumurile se împart în principal în: bitumuri pentru drumuri (clasificare în clase, după valorile

penetraţiei); bitumuri industriale neparafinoase (clasificate după puncte de

înmuiere), ce se fabrică simple (I) şi aditive (I A); bitumuri pentru hidroizolaţii simple (H) şi aditivitate (H A), clasificate

după punctele de înmuiere; bitumuri speciale: pentru protecţia conductelor subterane, pentru

fabricarea suspensiilor de bitum filerizat, pentru impregnarea cartoanelor etc.Bitumurile simple pot fi puse în lucrare prin topire, ce duce la reducerea

vâscozităţii lor.

X.1.4.2. BITUMURI ADITIVATE

21

Page 22: Metal BitUm Lemn

Pentru corectarea unor proprietăţi (interval de plasticitate, deformaţii, curgere, consistenţă, adeziune la suport etc.) bitumurile se aditivează prin adaos de compuşi macromoleculari, ca de exemplu izopropena atactică (PA), copolimer stiren butadienstirenic (SBS), cauciucuri, răşini epoxidice etc.

Alegerea aditivului se realizează în funcţie de compatibilitatea sa cu bitumul (să se omogenizeze cu acesta), de rezistenţa termică (140 – 180° C), păstrarea proprietăţilor la temperaturi joase etc.

Tipul de aditiv macromolecular se alege în funcţie de bitumul utilizat şi de cerinţele faţă de amestecul bitum – polimer rezultat. Bitumurile corect selectate şi corespunzător aditivate au proprietăţi superioare şi se utilizează fie ca liant pentru betoane asfaltice, fie pentru obţinerea de materiale hidroizolatoare cu proprietăţi superioare celor clasice.

X.1.4.3. Soluţiile de bitum (bitum tăiat, cutback)

Prin natura lor, sunt soluţii (coloidale) de bitum în solvenţi organici volatili, care la aplicare pe suport se evaporă, bitumul rămânând sub formă de peliculă ce poate funcţiona ca liant sau cu strat de acoperire.

Solvenţii utilizaţi trebuie să fie relativ ieftini, netoxici, puţin inflamabili, să aibă conţinut mare în compuşi aromatici (peste 20 %) pentru a asigura o dispersare cât mai bună a bitumului şi o uscare cât mai rapidă la utilizare.

Bitumurile utilizate trebuie să prezinte o tendinţă redusă de gelifiere datorată asocierii asfaltenelor, pentru a da soluţii (coloidale) cât mai stabile.

Bitumurile tăiate se utilizează la rece pentru amorsarea suprafeţelor (la hidroizolaţii, în lucrări de drumuri etc.), pentru fabricarea de masticuri şi chituri (pentru hidroizolaţii) cu uscare rapidă.

Soluţiile aderă bine numai la suport uscat, dar prin aditivare (cu substanţe tensioactive) capătă adeziune şi la suport umed.

Materialul are o serie de dezavantaje (utilizare de solvenţi, uscarea prealabilă a suportului, toxicitatea şi inflamabilitatea vaporilor formaţi la uscarea soluţiei etc.) ce îi limitează utilizările.

În lucru cu soluţiile de bitum trebuie acordată atenţie normelor în vigoare de protecţie a muncii şi de pază contra incendiilor.

X.1.4.4. EMULSIILE DE BITUM

Bitumurile sunt substanţe hidrofobe ce nu aderă la suport umed, ceea ce, alături de punere în lucrare în stare topită, creează dificultăţi în utilizarea lor.

Pentru înlăturarea acestor inconveniente se utilizează emulsiile bituminoase.

Emulsiile de bitum se obţin prin omogenizarea în mori coloidale a unui amestec bine dozat de bitum, apă şi emulgatori (emulseri) de tip coloidal (dispersii de săpunuri în apă etc) sau pulberi minerale (hidrofobe sau hidrofile).

Emulsiile de bitum se împart după structura lor în emulsii anionice şi cationice.

Emulsiile anionice au particulele dispersoidului încărcate negativ. Se pot fabrica sub formă de emulsii directe (emulgatori, săpunuri de sodiu şi potasiu ale acizilor graşi 1 – 3 %) sau inverse emulgator - oleaţii şi stearaţii de calciu – în cantitate mare), ultimele fără aplicabilitate tehnică.

În emulsiile directe (bitum-apă) particulele dispersate de bitum sunt încărcate negativ (fig. X.6), iar mediul apos este bazic (pH 9 - 11). Bitumul

22

Page 23: Metal BitUm Lemn

conţinut în aceste emulsii precipită (prin ruperea emulsiei) pe suprafeţe cu caracter bazic (agregate calcaroase, beton de ciment etc).

Figura X.6. Emulsii cationice (a) şi anionice (b)a b

Emulsiile anionice se pot dilua cu apă şi din această cauză, după punerea în lucrare ele pot fi spălate (prin reemulsionare) de pe suprafeţele pe care s-au aplicat.

Emulsiile cationice sunt materiale bituminoase introduse mai recent în practică. Particulele de bitum din aceste emulsii au sarcina electrică pozitivă (fig. X.6.b), iar faza apoasă are caracter acid. Emulgatorii utilizaţi sunt sulfaţi sau cloruri ai unor mono sau diamine alchidice (ex: clorhidrat de propilen diamină).Aceste emulsii aderă bine la suprafeţe cu caracter acid (nisipuri cuarţoase, granite etc) dar şi la cele bazice, ceea ce le face de mai largă utilizare.

Ele au o uscare iniţială rapidă, ceea ce reduce posibilitatea reemulsionării sub acţiunea apei.

Emulsiile de bitum se pot utiliza în hidroizolaţii şi pentru fabricarea materialelor de hidroizolaţii stratificate, la confecţionarea la rece a chiturilor, masticurilor; în construcţia de drumuri pentru lucrări la rece (amorsări, anrobări, mixturi), în stabilizări de pământuri etc.

Pentru obţinerea de emulsii bitumurile trebuiesc selectate compoziţional atât pentru obţinerea unei emulsii cât mai omogene compoziţional, cât şi mai stabile. Un conţinut ridicat în acizi (naftenici) favorizează obţinerea emulsiilor stabile, pe când un conţinut ridicat în parafine (alcani) este defavorizant.

Stabilitatea emulsiei este dependentă şi de emulgator, atât prin lungimea catenei hidrocarbonate cât şi prin natura grupării funcţionale polare şi capacitatea acesteia de a disocia electrolitic.

În contact cu suportul (amestecare cu agregate, aplicarea pe suprafeţe) emulsiile „se rup”, adică bitumul se separă de apă şi precipită pe suport. Pentru ca emulsiile să se „întărească”, după rupere, trebuie să se piardă apa pentru evaporare.

23

Page 24: Metal BitUm Lemn

Un dezavantaj al utilizării emulsiilor este posibilitatea ca în prezenţa apei (din precipitaţii) să aibă loc procesul de reemulsionare a bitumului (precipitat pe suport ca urmare a ruperii emulsiei).

X.1.4.5. SUSPENSIILE DE BITUM FILERIZAT

Suspensiile de bitum filerizat utilizate la noi în ţară sub denumirea de subif sunt dispersii apoase de bitum filerizat cu pastă de var gras (filer şi emulgator).

În suspensie, din cauza filerizării, emulgatorul - Ca(OH)2 se găseşte şi în interiorul particulei coloidale încărcate pozitiv (fig. X.7). Faza apoasă este dispersie de hidroxid de calciu în apă.

Figura X.7. Reprezentare a structurii unei suspensii de bitum filerizat

Subiful se prezintă sub formă de pastă chiar şi la un conţinut de 40 % apă (când emulsiile se prezintă ca fluide). La diluare cu apă subiful trebuie reomogenizat.

Ruperea suspensiei are loc prin evaporare. Din această cauză hidroizolaţiile cu subif trebuiesc realizate în mai multe straturi, dându-se fiecărui strat posibilitatea de a se usca.

X.1.4.6. Masticurile bituminoase

Masticurile bituminoase sunt amestecuri de bitum cu filere, ce se pot utiliza la cald sau la rece.

Masticurile utilizabile la cald se obţin din bitum topit în amestec cu filere pulverulente (calcare, dolomite, var stins în praf, bazalt pulbere, ciment silicios, cenuşă de termocentrală) de fineţe cât mai mare, sau fibroase (azbest, vată minerală etc.) constituite pe cât posibil din fibre independente.

Prin filerizare se îmbunătăţesc calităţile bitumului: creşte vâscozitatea, se lărgeşte intervalul de plasticitate, cresc rezistenţele mecanice, se întârzie îmbătrânirea, se reduc contracţiile şi tendinţa de fisurare şi se micşorează preţul de cost.

Acţiunea filerelor pulverulente este datorată suprafeţei lor specifice (103

- 104 cm2/g), la nivelul căreia decurg intense fenomene de adsorbţie a

24

Page 25: Metal BitUm Lemn

componentelor bitumului (petrolene). Bitumul neadsorbit, aflat în câmpul de forţe Van der Waals creat de filer, generează structuri mai puternic tixotrope. Prin acestea amestecul capătă coeziune internă mai mare.

Pe de altă parte filerul acţionează ca ecran pentru radiaţiile ce catalizează procesele de îmbătrânire, frânând astfel acest proces.

Filerele fibroase au putere de adsorbţie mai mică. Creşterea coeziunii interne este datorată, în acest caz, împâslirii fibrelor şi creerii unei armături în masa bitumului. La deformare, fibrele se orientează în sensul acţiunii forţei şi prin acestea creşte şi rezistenţa la întindere.

Utilizarea filerelor mixte (fibroase – pulverulente) duce la obţinerea de masticuri cu proprietăţi superioare.

Masticurile utilizabile la cald se folosesc ca liant în mixturile asfaltice, în realizarea hidroizolaţiilor plastice şi la fabricarea materialelor hidroizolatoare (cartoane, pânze, împăslituri şi ţesături din fibre de sticlă), pentru impregnare, în lipire.

Masticurile utilizabile la rece se fabrică din bitumuri tăiate sau din dispersii apoase de bitum şi filere.

La noi în ţară se utilizează masticuri pe bază de subif şi fibre celulozice denumite celochit (masă de şpaclu).

Se pot fabrica chituri şi pe bază de fibre anorganice (vată minerală, fibre de sticlă, azbest defibrat etc.).

Masticurile utilizabile la rece se folosesc pentru etanşeizări de rosturi în hidroizolaţii.

X.1.4.7. MORTARE ŞI BETOANE ASFALTICE

Sunt materiale compozite obţinute prin întărirea unui amestec bine dozat de lianţi bituminoşi şi agregate. În stare proaspătă aceste amestecuri poartă denumirea de mixturi asfaltice.

Spre deosebire de mortarele şi betoanele de ciment, cele pe bază de bitum îşi schimbă rezistenţele mecanice şi deformaţiile în funcţie de temperatură.

Destinaţia lor principală o constituie construcţia de drumuri şi piste de aeroport.

X.1.4.7.1. Componenţii şi compoziţia betoanelor şi mortarelor asfaltice

Bitumul îndeplineşte rolul de liant şi hidrofobizant al amestecului. El peliculizează granulele de agregat, umple golurile dintre granule, chituindu-le într-un tot.

Pentru a-şi putea îndeplini rolul de liant este necesar ca bitumul să-şi păstreze plasticitatea într-un interval cât mai larg de temperaturi.

El trebuie să se ancoreze cât mai bine pe suprafaţa agregatelor şi să se găsească în cantitate optimă pentru a se asigura rezistenţe mecanice maxime mortarului şi betonului asfaltic.

Ca liant se poate folosi bitumul ca atare sau materiale pe bază de bitum (emulsii, subif etc.). Bitumul pentru drumuri trebuie să corespundă unor condiţii standard de calitate.

Agregatul din mortarele şi betoanele asfaltice trebuie să prezinte o granulozitate continuă, cu volum minim de goluri, pentru a utiliza în realizarea mixturilor o cantitate minimă de liant.

25

Page 26: Metal BitUm Lemn

Amestecul de agregate în betoanele bituminoase este alcătuit din filer, nisip silicios şi criblură sau pietriş de râu. Pentru fiecare component al agregatului se pun condiţii severe de calitate (standardizate).

Filerul trebuie să aibă caracter bazic şi o suprafaţă specifică cât mai mare (rest pe sita cu 4900 ochiuri/cm2 max. 20 %). El trebuie să nu interacţioneze chimic cu componenţii bitumului şi să nu-i adsoarbă selectiv. Adeziunea la interfaţa bitum - filer trebuie să fie cât mai mare. La această interfaţă decurg fenomene de adsorbţie care îmbunătăţesc comportarea bitumului în timp şi la solicitări mecanice.

Filerul influenţează pozitiv granulozitatea agregatului, el acoperind domeniul 0–0,2 mm. Pe de altă parte influenţează pozitiv proprietăţile liantului bituminos (lărgeşte intervalul de plasticitate, întârzie îmbătrânirea, măreşte frecarea interioară etc.) contribuind la creşterea durabilităţii şi la îmbunătăţirea comportării betonului la solicitări statice.

Pe lângă rolul său tehnic pozitiv, filerul contribuie şi la scăderea consumului de liant (cel mai scump component al mixturilor asfaltice) şi prin aceasta prezintă şi un avantaj economic.

Nisipul silicios în betoanele asfaltice acoperă intervalul de granulozitate de la 0.2 la 3 mm sau la nevoie până la 7 mm. Rolul nisipului este de a realiza granulozitatea continuă a agregatului.

Criblura se livrează pe sorturi granulare (3/5, 5/8, 8/15, 15/25), iar condiţiile de calitate sunt mai severe decât la alte categorii de agregate. Ele provin din roci magmatice negelive la care bitumul are adeziune bună (bazalt, porfir, granit, cuarţ - adeziunea bitumului descreşte în această ordine).

X.2. Gudroanele şi smoala

X.2.1. Gudroanele

Gudroanele sunt produse vâscoase, de culoare închisă, obţinute prin distilare în absenţa aerului a combustibililor solizi (lemn, cărbuni). Prezintă interes gudroanele obţinute la fabricarea cocsului prin distilarea huilei.

Fracţiunea lichidă uleioasă conţinută poate fi supusă la rândul ei unei distilări fracţionate obţinându-se următoarele procese principale:

uleiuri uşoare – distilă până la 170° C; gudronul de drumuri – format din amestecuri de uleiuri (grele,

antracenice, ce distilă până la 350° C; smoala (reziduu de distilare).Gudronul de drumuri se poate prelucra prin oxidare (suflare) şi poate să

substituie parţial bitumul în realizarea mixturilor asfaltice. Amestecarea bitumului cu gudron se face numai după cercetări prealabile privind compatibilitatea acestor materiale.

X.2.2. Smoala

Smoala este material dur, casant, ce se poate utiliza în lucrări de drumuri (în amestec cu uleiuri antracenice, rezultate din distilarea gudroanelor) şi în lucrări de hidroizolaţii, protecţii anticorozive etc.

26

Page 27: Metal BitUm Lemn

LEMNUL GENERALITĂŢI

COMPOZIŢIA CHIMICĂ

Lemnul este un material de natură organică, cu compoziţie chimică complexă, dependentă de specie (esenţa), de vârsta arborelui şi de locul din cilindrul lemnos din care a provenit.

Lemnul absolut uscat, indiferent de esenţa din care provine, conţine în medie 49,4 % C, 6,3 % H2, 44,2 % O2, N2 etc., legate în combinaţii complexe, în majoritate macromoleculare.

Tabelul XI-1. Compoziţia chimică a lemnuluiSubstanţa organică Conţinut în substanţe organice (%)

răşinoase foioaseCeluloza (C6H10O5)n 48 – 56 46 – 48Lignină (C14H24O10)n 26 – 30 19 – 28Hemiceluloză 23 – 26 26 – 35a) pentoze (C5H8O4)nb) hexoze (C6H8O4)n

10 – 1213

23 – 293 – 6

Substanţele ce alcătuiesc lemnul pot fi împărţite în compuşi care formează membrana celulei lemnoase (celuloza, hemiceluloza, lignina) şi care prezintă 90 – 95 % din masa lemnoasă şi compuşi ce pot fi extraşi cu solvenţi specifici, fără a afecta practic compoziţia lemnului.

Substanţele organice reprezintă aproximativ 97 – 99 % din masa lemnoasă (uscată), restul fiind format din compuşi anorganici (săruri ale metalelor alcaline), care la ardere formează cenuşa.

În compoziţia lemnului intră o mare cantitate de apă, ce se prezintă ca apă legată chimic, apă adsorbită (legată fizic) şi apă liberă. Cantitatea de apă adsorbită variază cu umiditatea atmosferică, lemnul fiind un material higroscopic.

Compoziţia chimică a lemnului determină proprietăţile lui fizico-chimice.

XI.1.2. STRUCTURA FIZICĂ

Lemnul se caracterizează prin microstructură şi macrostructură.Prin microstructură se înţelege structura microscopică a lemnului,

formată din celule lemnoase, care alcătuiesc ţesuturile vii (parenchim) sau moarte (de susţinere, de conducere şi mixte). Microstructura depinde de esenţa lemnoasă.

Structura macroscopică se observă în secţiunile practicate în cilindrul lemnos, în care se văd inelele anuale, fibrele lemnoase şi zone deosebite prin structură, rol şi proprietăţi.

Se numesc defecte, neomogenităţile de structură cauzate de specificul de creştere al arborelui, de diferitele boli suferite de aceasta, precum şi de atacul microorganismelor, insectelor etc.

Defectele influenţează negativ proprietăţile mecanice ale lemnului. Influenţa lor se apreciază în funcţie de tipul de defect, de distribuţia în materialul lemnos, de zona afectată etc.

27

Page 28: Metal BitUm Lemn

Figura. XI.1. Secţiuni în cilindrul lemnos

Structura eterogenă, fibroasă, face din lemn un material cu proprietăţi fizico-mecanice specifice, anizotrope, ce sunt influenţate de defectele de structură.

Defectele, reprezintă un criteriu eliminatoriu în alegerea lemnului utilizat ca material de construcţie.

PROPRIETĂŢILE FIZICE ALE LEMNULUI

Higroscopicitatea este proprietatea lemnului de a absorbi apă din mediul ambiant. Din cauza higroscopicităţii apa conţinută în lemn variază în funcţie de temperatură, de umiditatea mediului înconjurător, de felul arborelui.

Umiditatea lemnului influenţează proprietăţile fizice, mecanice şi durabilitatea lemnului (rezistenţa la putrezire).

Umiditatea lemnului este apreciată cu pierderea în masă suferită de lemn prin încălzire la 105°C, ce se poate raporta procentual la masa lemnului brut (umiditate relativă) sau la masa lemnului uscat (umiditate absolută);

Umiditatea nu este distribuită uniform în masa materialului, fiind mai ridicată în ţesăturile tinere, şi mai redusă în ţesăturile lignificate (duramen).

Umiditatea de echilibru, atinsă de lemn în momentul în care tensiunea vaporilor de apă din acest material egalează pe cea a vaporilor din atmosferă, este considerată umiditate standard sau normală. Pentru condiţiile atmosferice ale ţării noastre, este considerată standard, umiditatea relativă de 15 %.

Proprietăţile chimice, fizice şi mecanice sunt afectate de umiditatea de higroscopicitate (de absorbţie).

Variaţiile de volum sunt determinate de modificarea conţinutului în apă de higroscopicitate.

Scăderea umidităţii duce la micşorarea dimensiunilor membranelor celulare şi implicit la reducerea dimensiunilor şi volumului materialului lemnos (contragere).

Contragerile cele mai mari le dau esenţele cu membrane celulare groase (lemnul de densitate mare); lemnul cu structură afânată, cu pereţi

28

Page 29: Metal BitUm Lemn

celulari subţiri, are variaţii de volum mai mici la modificarea conţinutului în apă de higroscopicitate.

La reumezirea lemnului, variaţia de umiditate, în limitele apei de higroscopicitate, produce umflarea membranelor celulelor lemnoase şi creşterea volumului materialului lemnos.

Jocul de volum duce la crăparea materialului lemnos şi deci la degradarea lui.

Din cauza structurii neomogene a lemnului, contragerea şi umflarea are loc diferenţiat în funcţie de direcţie.

Variaţia neomogenă de volum duce la curbarea materialelor debitate din cilindrul lemnos, diferenţiat, în funcţie de poziţia inelelor anuale faţă de feţele cherestelei.

De asemenea, prin variaţiile de volum, în materialele lemnoase se pot produce crăpături sau pot apare în timp rosturi între produsele din lemn puse în lucrare.

Din această cauză lemnul trebuie pus în lucrare cu umiditatea corespunzătoare condiţiilor de exploatare, iar buştenii şi materialele obţinute din acestea trebuiesc protejaţi împotriva pierderilor de umiditate (sub punctul de saturaţie) pentru a se împiedica fisurarea lor.

Densitatea lemnului Densitatea absolută a substanţei lemnoase este practic aceeaşi - circa 1500 kg/m3 pentru toate esenţele lemnoase.

Densitatea aparentă a lemnului variază în funcţie de esenţă (care determină structura) şi de umiditatea la care se face determinarea. Din această cauză densităţile se determină la umiditate standard.

Densitatea lemnului la diferite umidităţi

Felul arborelui Densitatea aparentă kg/m3

lemn verde lemn cu 15 % H2O lemn absolut uscatBrad 1.000 450 410Molid 740 480 430Pin 700 520 490Stejar 1.110 740 650Fag 1.010 750 690Frasin 920 760 680Salcâm 880 750 730Tei 740 460 490

Conductivitatea termică a lemnului depinde de densitatea aparentă (esenţa), de umiditate, de temperatură şi de direcţia pe care se propagă căldura.

Coeficientul de conductivitate termică în lungul fibrei lemnoase este în medie de 1,8 - 2 ori mai mare decât în direcţia perpendiculară pe fibră.

Proprietăţi mecanice ale lemnului sunt determinate de esenţă, de defecte, de umiditate, de direcţia pe care este solicitat şi de condiţiile de creştere a efortului la care este supus materialul.

29

Page 30: Metal BitUm Lemn

Având în vedere multitudinea de factori ce influenţează comportarea lemnului sub acţiunea diferitelor încărcări, rezistenţele mecanice se determină la umiditate standard (15 %), pe epruvete lipsite de efecte şi în condiţii de acţionare a forţei perpendicular şi paralel cu fibra lemnoasă.

Rezistenţele admisibile ale lemnului ce se iau în consideraţie în dimensionarea construcţiilor sunt mai mici, având în vedere că în materialele de construcţie pot exista şi defecte, iar umiditatea reală poate fi diferită de cea standard.

Rezistenţele mecanice ale lemnului pentru diferite umidităţi

Tip Rezistenţea la: (daN/cm2)compresiune II cu

fibratracţiune din

incovoiere II cu fibraîncovoiere statică

umiditatea (%)15 30 15 30 15 30

Molidul 415 210 1010 790 760 495Brad 390 195 1005 790 705 440Stejar 510 310 – – 945 680Fag 475 260 1180 955 645Plop 345 180 870 685 610 405

 Acţiuni agresive asupra lemnului şi mijloace de protecţie

Stabilitatea chimică este determinată de esenţa lemnoasă, de condiţiile de exploatare şi de natura mediului agresiv.

Soluţiile acide devin agresive la pH = 2. Sub acţiunea îndelungată a soluţiilor acide sau bazice, lemnul se poate distruge, cu atât mai repede cu cât aciditatea (concentraţia în sau bazicitatea (concentraţia în OH–) este mai mare.

Distrugerea lemnului sub acţiunea chimică este accelerată de atacul biologic.

Durabilitatea lemnului este rezistenţa lui la putrezire. Din cauza naturii lui organice lemnul este supus acţiunii distructive al

unor bacterii şi ciuperci de diferite tipuri.Rezistenţa la atacul biologic este determinată de esenţă, de structură,

de temperatură şi umiditate.După durabilitate lemnul se poate clasifica în:

– foarte puţin durabil (fag, plop, mesteacăn), care putrezeşte în maximum 3 ani;– puţin durabil (brad, molid), care putrezeşte între 3 la 7 ani;– durabil (salcâm, pin), care putrezeşte între 7 la 10 ani;– foarte durabil (stejar, nuc), care începe să putrezească după 10 ani.

Protecţia lemnului împotriva putrezirii se realizează prin asigurarea unor condiţii optime de transport, depozitare şi exploatare a materialelor lemnoase sau prin tratare cu substanţe fungicide.

Condiţiile optime sunt asigurate dacă materialul lemnos este menţinut fie complet uscat, fie la umiditate mai mare de punctul de saturaţie şi fără a veni în contact direct cu solul.

30

Page 31: Metal BitUm Lemn

Dacă nu se pot asigura condiţii optime, materialele lemnoase trebuiesc fungicizate fie în totalitate fie numai în părţile vulnerabile la putrezire.

Ca fungicide se utilizează substanţe cu toxicitate mare faţă de agenţii biologici ce provoacă putrezirea, dar netoxice pentru om şi alte organisme. Se utilizează substanţe anorganice solubile în apă (NaF, ZnCl2, Na2SiF6), substanţe organice solubile (dinitrofenol C6H3(NO2)2OH, oxifenolat de sodiu C12HgO Na.3H2O, creozot) sau uleioase (gudroane).

Prin tratare cu fungicide durabilitatea lemnului se măreşte, diferenţiat în funcţie de natura substanţei de tratare. Creşterea durabilităţii pentru traversele de cale ferată prin fungicizare este dată în tabelul XI-6.

Durabilitatea lemnului funcţie de metoda de tratamentT r a t a m e n t Durabilitate (ani) Creştere faţă de lemnul netratatneimpregnat 2 – 3 –impregnare cu ZnCl2 5 – 8 aprox. 2,5 oriimpregnare cu creozot 30 – 35 10 – 12 ori

Comportarea lemnului la încălzire şi protecţia contra focului

Lemnul este material combustibil şi inflamabil. Încălzit progresiv, lemnul pierde iniţial apă (până la 105° C).

Începând cu 110° C din lemn încep să se distile alături de vapori de apă şi gaze combustibile (H2, CO, CH4) care la 200° C pot produce, în prezenţa unei flăcări, aprinderea lemnului (punct de aprindere).

La aproximativ 300° C este situat punctul de inflamabilitate, la care gazele distilate din lemn se autoaprind.

Pe măsură ce gazele ard lemnul se carbonizează. Cărbunele fomat începe să ardă după epuizarea gazelor, ducând la transformarea în final a lemnului în CO2 şi cenuşă.

Cu ajutorul unor mijloace de protecţie constructive sau prin tratare cu substanţe ignifuge pot fi reduse (dar nu înlăturate) combustibilitatea şi inflamabilitatea lemnului.

Metodele constructive de protecţie împotriva focului constau în acoperirea elementelor de construcţie cu tencuieli (simple sau pe placă de rabiţ), izolarea elementelor mari (stâlpi) cu zidărie izolatoare etc.

Ignifugarea se realizează prin tratarea superficială sau prin impregnarea materialelor lemnoase cu soluţii de substanţe anorganice (Na2SiO3, Na2B4O7.10H2O, NH4Cl, ZnCl2, Na2HPO4, (NH4)3 PO4, (NH4)2SO4), cu vopsea pe bază de polimeri clorvinilici etc.Substanţele ignifuge acţionează prin formarea unor pelicule necombustibile şi neinflamabile (Na2SiO3, Na2B4O7.10H2O) pe suprafaţa lemnului, sau de gaze necombustibile şi acizi tari, care carbonizează superficial lemnul: (NH4)2SO4 NH3 + H2SO4.

Substanţele ignifuge se utilizează simple sau în amestecuri. Metoda de protecţie se alege în funcţie de pericolul de incendiu.

Tipuri de esenţe utilizate pentru obţinerea materialelor de construcţie din lemn

31

Page 32: Metal BitUm Lemn

Pentru obţinerea materialelor şi elementelor de construcţie din lemn pot fi utilizaţi numai arborii, care prin compoziţie şi structură asigură rezistenţele mecanice şi durabilitatea cerută de condiţiile de exploatare.

Esenţele principale utilizate pentru fabricarea materialelor de construcţie sunt cele de răşinoase şi foioase.

Esenţele de răşinoase sunt de largă utilizare, ce se explică prin răspândirea şi modul de creştere (trunchiuri drepte) al arborilor răşinoşi.

Dintre arborii răşinoşi se utilizează mai ales molidul şi bradul, mai răspândiţi în ţara noastră.

Molidul are rezistenţe mecanice bune, densitate mică, se prelucrează uşor, iar cantitatea mare de răşină îi asigură o durabilitate mai mare.

Bradul este un lemn mai alb, cu răşină mai puţină ceea ce îl face mai puţin durabil decât molidul.

Esenţele de foioase au proprietăţi variate, ce determină utilizarea lor diferenţiată în funcţie de caracteristicile tehnice.

Esenţele tari se utilizează pentru obţinerea materialelor şi elementelor de construcţie. Dintre acestea mai importante sunt stejarul (lemn dens, cu rezistenţe mecanice mari, cu contragere mare la uscare, dar cu umiditate mare) şi fagul cu rezistenţe mecanice bune, dar mai puţin durabil decât stejarul.

Esenţele moi (plopul, salcia) se utilizează ca materii prime pentru obţinerea de materiale eficiente, moderne ce nu mai păstrează structura iniţială a lemnului şi care în unele cazuri au proprietăţi superioare tari.

Din prelucrarea esenţelor menţionate rezultă deşeurile lemnoase care se pot utiliza în fabricarea de materiale eficiente pe bază de lemn. Arborii foioşi dau deşeuri mai numeroase (25 – 40 %) decât cei răşinoşi (23 – 35 %).

MATERIALE LEMNOASE UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢII

În domeniul construcţiilor se utilizează două categorii mari de materiale lemnoase:- materiale care păstrează structura şi proprietăţile lemnului brut;- materiale eficiente, moderne, obţinute din esenţe moi sau din deşeuri cu ajutorul unor lianţi din polimeri organici şi prin procedee tehnologice adecvate şi care nu mai păstrează structura şi au proprietăţi diferite de cele ale lemnului brut.

MATERIALE DE CONSTRUCŢIE DIN LEMN CARE PĂSTREAZĂ STRUCTURA ŞI PROPRIETĂŢILE LEMNULUI BRUT.

Produsele brute

Produsele brute se obţin din arbori prin curăţirea ramurilor, decojirea şi tăierea lor la lungimi convenabile. Aceste materiale păstrează conicitatea naturală a lemnului.Produse brute din lemnNr P r o d u s Dimensiuni Esenţă Aspect Utilizări

32

Page 33: Metal BitUm Lemn

1. BUŞTENI do min.

lmin.

14 cm

2,5 m

foioase

răşinoase

-materie primă pentru produse semifabricate şi finite– piloţi– batardouri– stâlpi de susţinere

2. STĂLPI PENTRU LINII AERIENE

l 5-14 m foioase răşinoase

susţinerea liniilor aeriene, electrice, telefonice

3. BILE do

l12-16 cm

9 mMANELE do

l8-11 cm3-6 m

răşinoase – schelărie

PRĂJINI do

l4-7 cm2-4 m

– lemne de susţinere

Produsele semifabricate

Produsele semifabricate au forme geometrice bine determinate şi se obţin prin prelucrarea buştenilor.

Cheresteaua se obţine prin debitare (tăiere) Traversele de cale ferată se fabrică numai din lemn de foioase prin

tăiere sau cioplire, în aşa fel încât inelele anuale să fie tangente la faţa lor .

Produse semifabricate din lemn

Produs Aspect Dimensiuni UtilizăriI.Cherestea: a) grinzi

hmin= 10cmbhl= 3-6m

elemente de construcţii

b) dulapi

c) rigle

b) h>4 cm, b2h,l=0,5 - 0,6mc) h>4 cm, b2h,l=0,5 - 0,6m

elemente de construcţiischelărie

d) scânduri

e)şipci

h2cm, b2h,l=0,5 - 0,6mh2cm, b<2h,l=0,5 - 0,6m

schelărie

cofraje

II. Traverse de cale ferată

cale ferată normală

33

Page 34: Metal BitUm Lemn

III. Furnira) de bazăb) tehnic

grosime 0,8-4 mmgrosime1-6mm

Fabricare:placajepaneluriplăci celularelemn stratificatmobilier

c) de faţă grosime 0,6-1mm furniruire mobilădecoraţiuni interioare

Furnirul se obţine prin derulare sau decupare (fig. XI.6.) din lemn de foioase selecţionat.

Metode de obtinere a furnirului

Produsele finite

Placajele se obţin din număr impar de furnir cu fibrele dispuse sub unghi de 90° (sau mai mic) unele faţă de altele, lipite cu adezivi sintetici prin presare la cald . Au rezistenţe mecanice bune şi contragerile mai mici decât ale lemnului brut.

Modul de obţinere a unui placaj

Se fabrică placaje de uz general şi special (bachelitizate, melaminate, stelate etc.).

Panelele se realizează din şipci, cu inelele anuale distribuite cât mai diferit (pentru a se anula contragerile mari tangenţiale), lipite cu adeziv şi

34

Page 35: Metal BitUm Lemn

acoperite pe ambele feţe cu furnir, aşezate astfel încât fibrele lemnoase să fie perpendiculare pe cele ale şipcilor din miez (fig. XI.8).

Modul de realizare a unui panel

Plăcile celulare sunt alcătuite dintr-un cadru rigid de lemn având în interior un fagure (celule) din fâşii de furnir (sau spirale de furnir) acoperit pe ambele feţe cu folii din furnir.Modul de realizare a plăcilor celulare

MATERIALE EFICIENTE FABRICATE PE BAZĂ DE LEMN

Sunt materiale ce rezultă prin valorificarea superioară a lemnului (esenţe moi, deşeuri, ce nu au alte utilizări industriale) cu ajutorul unor lianţi organici pe bază de produşi organici macromoleculari şi prin procese tehnologice speciale.

Aceste materiale se caracterizează prin compoziţie chimică şi structură diferită de cea a lemnului brut.

Modificarea compoziţiei chimice se realizează prin utilizarea unor materiale din polimeri (răşini fenolformaldehidice, melaminice etc.) ce funcţionează ca lianţi sau ca impregnanţi.

Modificarea structurii se realizează prin presare la cald, ce conduce la obţinerea de materiale omogene, cu proprietăţi izotrope, cu comportare bună la apă, (contrageri mici şi omogene, înlăturarea hidrofiliei etc.) etc.

35

Page 36: Metal BitUm Lemn

Materiile ce se obţin pot înlocui atât lemnul masiv sau alte clase de materiale (metale feroase şi neferoase).

Plăcile fibrolemnoase (PFL) se obţin din amestec de pastă de fibre lemnoase (defibrare mecanică sau chimică) şi răşini sintetice (liant) prin presare la cald. În funcţie de presiunea exercitată se obţin clase diferite de PFL

cu proprietăţi şi utilizări diferite.Tipuri de plăci fibrolemnoase

Tip de plăci Densitate aparentă a (kg/m3) U t i l i z ă r i– izolatoare

– dure

– extradure

a 400

850 - 900

a > 900

– izolaţii termice şi fonice– pereţi despărţitori– tâmplărie de construcţii (înlocuieşte placajul, panelul etc.)– pardoseli– tâmplărie de construcţii

Plăcile din aşchii lemnoase (PAL) se fabrică din aşchii de esenţe moi, aglomerate cu materiale din polimeri şi presate la cald. În funcţie de condiţiile de fabricare se obţin tipuri diferite de PAL ce se utilizează ca înlocuitor al lemnului brut în majoritatea utilizărilor acestora.

TIPURI DE PALTipul de plăci Densitate aparentă a (kg/m3) U t i l i z ă r i– uşoare

– semigrele

– grele

a < 450

a = 450..750

a > 750

– materiale termo şi fonoizolatoare– înlocuitor al scândurilor, placajelor, paneluri– pereţi despărţitori– pardoseli– uşi– mobilier

Se fabrică PAL stratificate, ce pot fi furniruite, melaminate etc. şi PAL amogene (PALEX), sub formă de plăci pline sau cu goluri, livrate ca atare sau furniruite.

Lignolitul este un material fabricat din făină de lemn aglomerată cu lianţi pe bază de polimeri şi cu materiale de umplutură, ce se utilizează sub formă de plăci la pardoseli lipite pe suporturi cu adezivi pe bază de cauciuc.

Lignostonul (lemn impregnat presat) se obţine prin densificarea prin presare, până la reducerea volumului cu 25 – 55 % a lemnului moale impregnat. Proprietăţile fizico-mecanice foarte bune fac utilizabil acest material ca înlocuitor al metalelor pentru piese solicitate la eforturi mari.Proprietăţile fizico-mecanice ale lignostonului

Proprietatea Unitatea de măsură ValoareaDensitatea aparentă kg/m3 1400Rezistenţa la compresiune daN/cm2 1500Rezistenţa la întindere daN/cm2 2500Rezistenţa la încovoiere daN/cm2 2500

36