Материалы для кладки печей

Кладка печей - одна из завершающих операций при строительстве дома. От качества печных работ во многом зависят пожарная безопасность, внешний вид помещения, условия жизни людей. Хорошо сложенная печь является своего рода украшением жилья.

Для кладки печей применяют материалы, обладающие различными физическими свойствами. Наиболее важны огнеупорность и тепловое расширение: отдельные части в процессе топки подвергаются разным температурам, кроме того, материалы в зависимости от нагревания расширяются неодинаково. Нельзя применять сгораемые материалы, а также деформирующиеся от нагревания.

Для начала кладки печи следует подготовить все необходимые материалы: глину, кирпич, воду, песок, известь, гипс, цемент, бетон, бутовый камень, а также войлок, асбест, толь, гончарные или керамические трубы, проволоку, мешковину и т. д.

Глина - основной строительный материал при кладке печей. Обыкновенная глина (красная) - вяжущий материал, используемый для приготовления раствора при кладке печей и дымовой трубы. Прочность и качество кладки в значительной степени зависят от жирности, пластичности, усушки, максимальной температуры плавления или спекания глины.

В зависимости от количества примесей, главным образом песка, глина подразделяется на жирную, среднюю и тощую. В жирной глине содержится 2-3% песка. Замес из такой глины мягкий, пластичный, стержни при сгибании не ломаются, при высыхании трескаются. В средней глине около 15% песка, на ощупь она шероховатая, при падении на пол шарик сплющивается, но не рассыпается. В тощей глине содержится около 30% песка, она сильно шероховата, при падении на пол шарик рассыпается.

Глина при размокании увеличивается в объеме, образуя пластичное тесто. При высушивании и обжиге объем ее значительно уменьшается: глины средней пластичности - на 7-8%, тощей - менее чем на 6%.

Обыкновенную глину не рекомендуется применять для приготовления растворов, используемых при кладке и штукатурке во влажных помещениях. При температуре ниже 0°С глина вспучивается и увеличивается в объеме, вследствие чего кирпичная кладка теряет плотность и прочность. Поэтому глиняный раствор не следует применять для кладки оголовков дымовых труб, наружных стенок дымовых и вентиляционных каналов, фундаментов под печи, камины и коренные дымовые трубы. Обыкновенную (красную) глину применяют в виде раствора (глина, песок и вода) для кладки печей из обыкновенного красного кирпича.

Кирпич используется для кладки печей, каминов. В печном деле употребляют различные виды и сорта кирпича. Из обыкновенного глиняного (красного) выкладывают большую часть массива печи: наружные стенки, дымоходы, насадку бесканальных печей, перекрытие, дымовые трубы.

Важное значение имеет сорт кирпича. Первый сорт - хорошо обожженный кирпич красного цвета, без трещин, правильной формы, размером 25×12×6,5 см, масса его - 3,2-3,5 кг. При легком постукивании по нему молотком издает чистый звонкий звук, почти металлический.

Кирпич второго сорта - недожженный, розового цвета, при постукивании молотком издает глухой звук. Он может использоваться для кладки менее ответственных деталей печи, например, горизонтальных и вертикальных разделок.

Кирпич третьего сорта - пережженный, темно-коричневого цвета (железняк), употребляется только на фундаменты.

Для кладки сводов применяют клиновый кирпич, размеры которого 23×12×6,5×5,5 см.

Нельзя использовать для кладки печей силикатный кирпич. Следует применять только красный кирпич высшего качества, т. е. первого сорта. Он должен быть правильной формы с ровными постелями и гранями, прямыми углами и острыми кромками, нормального обжига, без трещин, без вкраплений подмеса извести.

Кирпич целый, одномерный после разборки старых зданий, тщательно очищенный от глиняного и цементного растворов, также пригоден для кладки печей. Нельзя использовать старый кирпич из кладки на известковом растворе, он пригоден только для возведения оголовков дымовых труб и оснований под печи и камины.

Межигорка (малый кирпич), сохранившийся от разборки печей, применяют не только для кладки массива, но и для футеровки топливника. Его отбирают, чтобы в кладку не попал пережженный или закопченный кирпич. Не рекомендуется использовать кирпич с отложениями сажи на боковых гранях, иначе на внешних поверхностях печей, каминов и дымовых труб будут выступать черные пятна. Межигорку, если на ее поверхности остались отложения сажи, используют для кладки свода, устройства внутренних перегородок (дымооборотов), футеровки топливника. Перегоревший малый печной кирпич - непрочный и хрупкий материал, он не пригоден для кладки.

Раствор для кладки и штукатурки печей готовят на чистой воде, не содержащей взмученного ила, не имеющей затхлого запаха и растворенных солей в больших количествах. Использование для приготовления глиняного раствора воды, насыщенной различными солями, приводит к появлению на поверхности печи высолов в виде грязных пятен, которые выступают через побелку. Не рекомендуется использовать застоявшуюся воду из бочек и водоемов. Летом воду с температурой 10-12° берут из колодца, зимой подогревают ее до 25-30°. Можно применять дождевую воду. Для приготовления растворов используют и морскую воду, увеличивая при этом норму цемента на 10-15%.

Песок, применяемый в растворах для кладки печей, должен быть без примеси ила, растительных остатков и других включений. Добавляют песок к обычной глине, к огнеупорной - шамотный порошок. По крупности зерен песок подразделяется на крупнозернистый с зернами 0,15-5 мм, пылевидный - 0,14-0,005 и глинистый - меньше 0,005 мм. До приготовления раствора песок рекомендуется просеять через сито с отверстиями 1-1,5 мм. Пески бывают горные (овражные), речные (морские), дюнные. В качестве заполнителя для раствора, применяемого в печных работах, лучше использовать песок, который является продуктом разрушения горных пород.

Речной песок, имеющий закругленные частицы, менее пригоден для кладки печей. Зерна горных песков имеют угловатую форму и шероховатую поверхность, они обладают лучшей сцепляемостью с глиной. Дюнные и барханные пески, состоящие из очень мелких зерен, в чистом виде для приготовления растворов не пригодны.

Известь применяют для приготовления растворов, употребляемых для кладки фундаментов под печи и оголовки труб, расположенных выше крыши. На этом растворе выкладывают также коренные трубы. Используют только гашеную известь (пушонку). Негашеную известь надо погасить: ее загружают в деревянную бочку или ящик слоем 10-12 см и заливают небольшим количеством воды, перемешивая деревянной лопаткой (мешалкой). Известь кипит, выделяя тепло, и увеличивается в объеме. Свежегашеную известь выдерживают перед употреблением не менее двух-трех недель, предохраняя от высыхания.

Известь строительная бывает кальциевая, магнезиальная и доломитовая первого, второго и третьего сортов. После обжига получается комовая известь - кипелка. Она делится на быстрогасящуюся - не более 8 мин, среднегасящуюся - не более 25 мин и медленногасящуюся - не более 25 мин. Хранить комовую известь необходимо в сухих помещениях: в сырых местах она постепенно гасится, превращаясь в пушонку - тонкий порошок.

Строительный гипс (алебастр) получают путем обжига природного гипсового камня при температуре 150-170°. Он представляет собой порошок беловато-серого цвета. Замешанный с водой гипс быстро твердеет. Схватывание начинается через 4 мин и длится от 6 до 30 мин. Быстрота схватывания создает неудобства при его употреблении, поэтому в гипсовый раствор добавляют замедлители схватывания (например, 1-1,5%-ный раствор животного клея). Применение горячей воды также продлевает начало схватывания гипса на 15-20 мин. При оштукатуривании печей гипсовый раствор наносят на горячую поверхность.

Цемент - гидравлическое (твердеющее на воздухе и в воде) вяжущее вещество, получаемое путем совместного измельчения клинкера и различных минеральных добавок. Существует несколько разновидностей этого материала. Наиболее распространенными являются портландцемент и глиноземистый цемент. Портландцемент - порошок зеленовато-серого цвета. Исходными продуктами для его получения являются известняк (мел) и глина, которые обжигают во вращающихся печах при температуре 1400-1500°. Полученный цементный клинкер размалывают на специальных мельницах, добавляя различные активные и инертные добавки (шлаки, кварцевый песок, гипс и т. п.).

Затворенный водой цемент в течение некоторого времени преобразуется в монолитное твердое тело большой прочности. Показателем этого качества является марка цемента, которая определяет прочность раствора, состоящего из 1 части цемента и 3 частей песка (по массе), достигнутую на 28-й день схватывания. Портландцемент выпускают марок 400, 500, 600 и 700.

Глиноземистый цемент получают из глинозема (бокситов) и извести, сплавленных в электропечах при температуре 1400°. Сплавленную массу дробят на куски, затем измельчают в порошок на трубных мельницах. Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600. Марочную прочность он набирает через 3 суток. Глиноземистый цемент, примененный в растворах и бетонах, повышает их водостойкость.

Бетон - искусственный каменный материал, получаемый из смеси вяжущего, заполнителей и воды и специальных добавок для его формирования и твердения. Твердение бетона - сложный физико-химический процесс, происходящий между вяжущими материалами и водой. Заполнители (щебень, гравий, песок) в этих процессах не участвуют. Вяжущие материалы (цемент, известь, гипс) после затворения водой образуют пластично-вязкую массу, которая, затвердевая на воздухе или в воде, связывает между собой зерна заполнителей и образует искусственный каменный материал.

Для изменения свойств вяжущих материалов в состав бетонов вводят добавки, которые могут быть активными минеральными наполнителями, поверхностно-активными, ускорителями твердения, замедлителями схватывания, противоморозными.

Активные минеральные добавки подразделяются на природные - диатомит, трепел, опока, пепел, туф, и искусственные - доменные гранулированные шлаки, глиниты, керамзит, аглопорит и др. При смешивании в тонкоизмельченном виде с известью-пушонкой и затворении водой они образуют тесто, способное после твердения на воздухе продолжать набирать прочность и длительно сохранять ее в воде.

Добавки-наполнители применяют для снижения расхода цемента и повышения плотности бетона. Поверхностно-активные добавки изменяют свойства поверхности, на которой они адсорбировались. Ускорители твердения способствуют быстрому набору бетоном прочности: хлорид и нитрат кальция, поташ, сульфат и нитрат натрия и др. Замедлители схватывания, наоборот, увеличивают продолжительность сохранения бетонной смесью пластичности: природный гипс, серно-кислое окисное железо (до 1%) и поверхностно-активные вещества (животный клей, СДБ, мылонафт) - до 0,3% массы цемента.

Противоморозные добавки снижают температуру замерзания жидкости, на которой замешены бетон или раствор, в результате при отрицательной температуре сохраняется незамерзшей вода, материал без обогрева набирает прочность. Такими добавками служат соли-электролиты (поташ, нитрит натрия) или смеси этих солей. Количество добавки зависит от температуры твердения бетона.

В печных работах бетон применяют для возведения фундаментов под печи, камины и коренные трубы. Легкие бетоны из керамзитобетона, перлитобетона, керамзито-перлитобетона и золобетона используют для утепления дымовых и вентиляционных каналов, выполненных из асбесто-цементных труб.

Состав жароупорной бетонной смеси для блоков топливника сборно-блочных бытовых печей применяют в соотношении 1:2:2:0,33 по массе (одна часть портландцемента марки не ниже 400, две части щебня и две части песка из огнеупорного кирпича, 0,33 части пылевидных тонкомолотых добавок из шамота).

Бутовый камень - различные горные породы (известняк, доломит, песчаник, гранит и т. п.). Используется для сооружения фундаментов и очагов на открытом воздухе, применяется в качестве декоративно-поделочного материала. Может иметь неправильную (колотый, ломаный) или правильную форму (бутовая плита с двумя параллельными гранями постелями). Булыжник имеет округленую поверхность.

Подсобные материалы. При кладке печей, каминов, дымовых и вентиляционных каналов используют тепло- и гидроизоляционные материалы, асбестоцементные и керамические напорные трубы, изразцы, печную проволоку и другие вспомогательные материалы.

Асбест - огнеупорный материал, который выдерживает длительный нагрев до 450-500° без значительной потери прочности, обладает малым коэффициентом теплопроводности. Выпускается в виде листов (листовой асбест), картона, ткани и шнура. Применяется при печных работах по устройству противопожарных разделок, несгораемых стен и перекрытий, изоляции сгораемых материалов, изготовлении несгораемых прокладок. Используется вместо войлока для прокладки между рамками печных приборов, дверками и печной кладкой. Добавление асбеста в портландцемент значительно повышает его прочность.

Асбестоцементные трубы выпускаются длиной до 4 м, диаметр - 125-300 мм, толщина стенок - 12-20 мм. Они соединяются между собой асбестоцементными муфтами. Применяют их для облицовки дымоходов с внутренней стороны кирпичных стен, устройства дымоходов (дымовых труб), начиная с чердака и выше кровли. Для утепления трубы облицовывают кирпичом или оштукатуривают. Они не ржавеют под влиянием атмосферных осадков и не нуждаются в окраске в течение всего срока службы. Низкое водопоглощение делает их стойкими к воздействию отрицательных температур. Дополнительное устройство, предупреждающее проникновение воды в трубы (утепление, зонт), позволяет продлить срок эксплуатации труб на несколько десятилетий.

Асбестоцементные дымовые трубы имеют преимущества перед кирпичными в том, что они прочны, легки, не имеют швов, просты при сооружении. Недостатком их является низкая сопротивляемость ударам и необходимость утепления.

Строительный войлок применяют для уменьшения теплопроводности - передачи тепла от нагретых частей печи к прилегающим сгораемым конструкциям. Он плохо воспламеняется, не горит, а медленно тлеет, издавая своеобразный специфический запах. Перед применением войлок вымачивают в глиняном растворе, который предохраняет его от разведения моли и возгорания. Им изолируют разделки у печей и труб, обвертывают концы деревянных балок, проходящих вблизи дымовых каналов и разделок, кладут под предтопочные листы.

Толь и рубероид изготовляют из картона, пропитанного каменноугольной смолой или нефтяными продуктами, обсыпанного с двух сторон песком, слюдой или каменной мукой. Используют для гидроизоляции фундаментов под печи, предохраняя их от грунтовой воды. Толь укладывают на дегтевых, рубероид - на битумных мастиках.

Гончарные, или керамические трубы длиной от 350 до 700 мм, диаметром 170-220 мм применяют для устройства дымовых труб и воздушных каналов. Их изготовляют из лучших сортов глины с последующим обжигом и глазуровкой изнутри. Соединяют отдельные звенья раструбами.

Печные изразцы (рис. 17) изготовляют из обычной глины или из смеси огнеупорной глины и кварцевого песка. Лицевую сторону покрывают глазурью, изразцы без глазури называются терракотовыми. По форме и назначению изразцы делятся на стенные, или прямые, - для образования гладких поверхностей, фасонные - для облицовки выступающих частей печи, угловые - для облицовки углов.

Рис. 17. Печные изразцы: а - прямые, б - угловые

Размеры изразцов: прямые - 220×220×50 и 200×200×45 мм, угловые - 220×220×110×50 и 200×200×100×45 мм; прямоугольные ("рустик"): прямые - 205×130×45 мм; угловые - 205×130×107×45 мм.

Снизу печь облицовывают закладкой (цоколем), которую стыкуют с уступом, служащим опорой лицевым (гладким) изразцам. Необходимый рельеф теплоотдающей поверхности можно создать, применяя полочку, выступ и карниз. Над карнизом устанавливают венец.

Проволоку стальную, применяемую для перевязки и крепления печных приборов, обжигают чтобы придать ей необходимую мягкость и прочность. Топочные дверцы в печах нельзя крепить проволокой. Для этой цели служат специальные лапки из полосовой стали, изготовленные с рамками дверок.

Сталь в виде швеллеров, уголков, двутавровых балок, полосовой и круглой стали, проволоки используется при устройстве оснований под печи верхних этажей, каркасов печей, крепления печных приборов, перевязке рядов кладки печи и т. д. Листовая кровельная сталь применяется для облицовки внутренних стенок воздушных камер печей, для устройства футляров и на предтопочные листы, прибиваемые к деревянному полу перед дверкой. Сталь, применяемая для духовых камер, должна быть чистой, без ржавчины. Номер швеллерной и двутавровой стали обозначает размер изделия по высоте. Угловая (уголковая) сталь бывает равнобокая и неравнобокая. Ее размеры обозначают тремя цифрами в миллиметрах.

Круглая сталь применяется в виде стержней разного диаметра. Полосовая сталь - полосы прямоугольного сечения разной ширины и толщины. Обручная, или пачечная сталь - в виде ленты шириной от 12 до 100 мм, толщиной от 0,9 до 3,5 мм. Ее применяют для устройства лапок к различным дверкам, позволяющих закреплять их в кладке более надежно. Фасонную, или фигурную сталь применяют для изготовления оснований под печи, поддержания кирпичной кладки и ее связи.

Стальной проволокой толщиной 2-3 мм закрепляют печные приборы и изразцы. Она должна быть мягкой, отожженной.

Металлическая сетка применяется для обтяжки наружной поверхности печи оштукатуриванием. Она должна иметь ячейки размерами не более 10×10 мм. Сетка не только способствует удерживанию раствора на стенках, но и предохраняет оштукатуренную поверхность от растрескивания при перегреве печи.

Мешковина используется для тех же целей, что и металлическая сетка. Ткань должна быть тонкой, неплотной. Мешковину накладывают на наружную поверхность печи перед оштукатуриванием.

Свойства материалов для печей. Для сооружения печей применяют разнообразные материалы с различными свойствами. Строительные материалы обладают рядом физико-механических и химических свойств, которыми определяется степень их пригодности для сооружения отопительных устройств.

Плотность материала - масса его скелета, отнесенная к занимаемому объему (т. е. без учета пустот, пор и т. д.). Плотность воды составляет 1 г/см³, поэтому плотность других веществ выражают по сравнению с ней. Объемная масса - масса материала, отнесенная к объему в естественном состоянии материала. Для таких материалов, как металл, стекло, смолы объемная масса равна плотности. Для строительных материалов величины плотности и объемной массы не совпадают. Например, объемная масса свежевзрыхленного и слежавшегося песка разная. Изменяется она и с увеличением влажности материала. Определяют объемную массу в воздушно-сухом состоянии.

Объемные массы некоторых строительных материалов, кг/м3: 
 Асбестоцементные листы  . . . . . . .      1900 
 Бетон на кирпичном щебне  . . . . . .      2000 
 Войлок строительный . . . . . . . . .       150 
 Глина . . . . . . . . . . . . . . . .      1400 
 Древесина (сосна) . . . . . . . . . .   400-600 
 Железобетон (среднеармированный)  . .      2500 
 Засыпка из сухого песка . . . . . . .      1600 
 Известь негашеная (комовая) . . . . .      1000 
 Известковое тесто . . . . . . . . . . 1300-1450 
 Камень-песчаник . . . . . . . . . . .      2400 
 Кирпичная кладка (сплошная) . . . . .      1800 
 Опилки    . . . . . . . . . . . . . .       250 
 Сталь строительных марок  . . . . . .      7850 
 Стекло  . . . . . . . . . . . . . . .      2500 
 Чугунные изделия  . . . . . . . . . .      7200 
 Шлак  . . . . . . . . . . . . . . . .      1000 
 Цементный раствор . . . . . . . . . .   До 2000

Пористость материала определяет степень заполнения его объема порами, пустотами и дополняет плотность до единицы. Например, пористость кирпича - 1 - 0,68 = 0,32, стали 1 - 1 = 0 и т. д. Плотность и пористость материалов влияют на их прочность, водопоглощение, водонепроницаемость, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства.

Водопоглощение характеризует способность материала впитывать в себя и удерживать воду. Этот показатель выражается в процентах и определяет разность массы материала, предельно насыщенного водой, и этого же образца материала в абсолютно сухом состоянии. Например, водопоглощение глиняного кирпича в зависимости от степени обжига колеблется от 8 до 20%. Насыщенные водой материалы в значительной степени теряют прочность, объемная масса и теплопроводность возрастают.

Отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала называется коэффициентом размягчения. Для стали, битума, например, он равен 1, т. е. эти материалы абсолютно водостойкие. Для кирпича-сырца, как и глинопесчаного раствора, коэффициент размягчения равен 0, т. е. в воде эти материалы распадаются. Поэтому кирпич-сырец и глиняный раствор нельзя применять при кладке фундаментов в водонасыщенных грунтах и дымовых труб над крышей.

Прочность определяет способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок, температурных колебаний и других факторов. В печных устройствах внешние воздействия, которым подвержены материалы, вызывают сжатие, изгиб, срез, смятие. Каждый материал обладает пределом прочности, превышение которого вызывает разрушение предмета.

Пластичность - способность материала изменять форму без признаков разрушения под действием нагрузки и сохранять измененную форму после снятия нагрузки. Это свойство особенно имеет значение для растворов, применяемых для кладки печей, фундаментов и т. д.

Огнестойкость определяется степенью возгораемости материала и характеризует его способность выдерживать без разрушения воздействия высоких температур и воды в условиях пожара. По степени возгораемости строительные материалы подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы при воздействии огня не воспламеняются, не тлеют, не обугливаются, но могут деформироваться. Сталь, например, деформируется в значительной степени, а гранит, мрамор, силикатный кирпич полностью разрушаются. Трудносгораемые материалы под воздействием огня воспламеняются с трудом, тлеют, например, строительный войлок. После удаления источника огня тление прекращается. При тлении он издает характерный сильный запах, сигнализируя о возникновении очага пожара. Сгораемые материалы под воздействием огня воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня - дерево, смолы и т. д.

Огнеупорность определяет способность материала противостоять, не разрушаясь и не размягчаясь, воздействию высоких температур в течение длительного времени. По степени огнеупорности материалы подразделяют на три группы: огнеупорные, выдерживающие действие температуры от 1580° и выше (шамот, динас и др.); тугоплавкие, выдерживающие действие температуры от 1350 до 1580° (гжельский кирпич); легкоплавкие, размягчающиеся при температуре ниже 1350° (обыкновенный кирпич).

Растворимость - способность материала растворяться в различных жидкостях.

Антикоррозионность - способность самостоятельно или в смеси со связующими веществами предохранять конструкции от разрушения коррозией. Антикоррозионными материалами являются графит и печной лак.