Почему чугунный прокат почти не применяют в строительстве

07.04.2025

Чугун обладает низкой пластичностью, что ограничивает его применение в конструкциях, подверженных динамическим нагрузкам. Предел прочности при растяжении у серого чугуна составляет всего 100-350 МПа, тогда как у строительной стали этот показатель достигает 360-520 МПа. При изгибе хрупкость материала приводит к образованию трещин без заметных деформаций, что недопустимо для несущих элементов зданий.

В отличие от стальных изделий, чугунные плохо переносят ударные воздействия из-за высокой концентрации графитовых включений. Ударная вязкость серого чугуна не превышает 1-2 Дж/см², а для стали Ст3 этот параметр колеблется в пределах 50-100 Дж/см². При монтаже или эксплуатации даже незначительные удары могут вызвать разрушение деталей.

Коэффициент линейного расширения чугуна равен 10-12·10⁻⁶ 1/°C, что близко к стальным 11-13·10⁻⁶ 1/°C, но разница в модуле упругости создает проблемы при совместном использовании материалов. Модуль Юнга для чугуна составляет 100-130 ГПа, тогда как у стали он достигает 200-210 ГПа. Это приводит к неравномерному распределению напряжений в комбинированных конструкциях.

Сварка чугунных элементов требует предварительного подогрева до 300-600°C и применения специальных электродов, что увеличивает стоимость работ. В случае со стальными конструкциями достаточно обычной дуговой сварки без дополнительных операций. Для ремонта трещин в чугунных деталях часто используют холодную сварку полимерными составами, но их прочность уступает металлическому шву.

При расчете балок на изгиб критическим параметром становится момент сопротивления сечения. Для двутавра №20 из стали он равен 184 см³, а у чугунного бруса аналогичных размеров – не более 120 см³. Разница объясняется меньшей несущей способностью материала и необходимостью увеличивать габариты профиля.

В строительных нормах СП 16.13330.2017 прямо указано, что чугун не применяется для ответственных конструкций из-за хрупкости. Допускается его использование только в опорных элементах, работающих на сжатие – колоннах или фундаментных блоках. Давление, которое выдерживает серый чугун СЧ20, достигает 600 МПа, что делает его пригодным для малонагруженных оснований.

Коррозионная стойкость чугуна в некоторых средах выше, чем у углеродистой стали, но это преимущество нивелируется хрупкостью. В агрессивных условиях предпочтительнее применять низколегированные стали с добавками меди или хрома, которые сочетают устойчивость к ржавлению и пластичность. Скорость коррозии чугуна в обычной атмосфере составляет 0,05-0,1 мм/год, а у стали 09Г2С – 0,03-0,07 мм/год.

Теплопроводность чугуна 50-60 Вт/(м·К) против 45-50 Вт/(м·К) у стали не дает существенных преимуществ в строительстве. Для теплоизоляции эффективнее применять специализированные материалы, а не металлопрокат. Термические деформации при нагреве также ограничивают использование в конструкциях, подверженных температурным перепадам.

Обработка резанием затруднена из-за твердости чугуна 180-250 HB, тогда как сталь Ст3 имеет 130-160 HB. Это увеличивает износ инструмента и требует применения твердосплавных пластин. Фрезерование или токарная обработка сопровождаются образованием мелкой пыли, что усложняет условия труда.

Для крепления чугунных деталей нельзя применять стандартные метизы – хрупкость приводит к сколам при затяжке болтов. Монтаж выполняют на заклепках или с помощью фланцевых соединений, что повышает трудоемкость сборки. Диаметр отверстий под крепеж должен превышать номинальный размер на 10-15% для компенсации напряжений.

Усталостная прочность чугуна в 2-3 раза ниже, чем у стали, что исключает его применение в динамически нагруженных конструкциях. Предел выносливости при циклических нагрузках составляет всего 70-100 МПа, тогда как у стали 35 – 220-260 МПа. Это критично для мостов, крановых путей и других объектов с переменными напряжениями.

Коэффициент Пуассона для чугуна 0,23-0,27 против 0,28-0,30 у стали указывает на меньшую способность к перераспределению местных нагрузок. В местах концентрации напряжений – возле отверстий или резких переходов – быстро образуются трещины. Радиусы скруглений в чугунных отливках делают не менее 5-10 мм для снижения риска разрушения.

При температурах ниже -20°C хрупкость чугуна резко возрастает, что ограничивает применение в северных регионах. Стальные конструкции сохраняют пластичность до -40°C, а низколегированные марки – до -60°C. Ударная вязкость чугуна при -30°C падает до 0,5-1 Дж/см², делая материал непригодным для наружных сооружений.

Технология производства чугунного проката сложнее стального из-за необходимости литья с последующей механической обработкой. Точность размеров литых профилей уступает прокатанным стальным – допуски достигают ±3 мм против ±1 мм у горячекатаного металла. Это требует дополнительной подгонки при монтаже.

Вес конструкций из чугуна на 10-15% выше стальных аналогов из-за меньшей прочности и необходимости увеличивать сечения. Для балки длиной 6 метров нагрузка 1 т/м² потребует применения чугунного профиля 200×100 мм вместо стального 160×80 мм. Это повышает нагрузку на фундаменты и увеличивает расходы на транспортировку.

Остаточные напряжения в отливках достигают 100-150 МПа, что может вызвать коробление при механической обработке. Стальные профили после прокатки имеют напряжения не более 50-80 МПа, которые легко снимаются правкой. Для стабилизации геометрии чугунные детали подвергают отжигу при 500-550°C в течение 4-6 часов.

Стоимость чугунного проката на 20-30% выше стального из-за энергоемкости литья и малых объемов производства. Цена 1 тонны серого чугуна СЧ20 составляет 55-65 тыс. руб., тогда как сталь Ст3 обходится в 45-50 тыс. руб. Экономия на материале не компенсирует повышенные расходы на монтаж и обслуживание.

При проектировании соединений учитывают низкую сопротивляемость чугуна срезу – всего 120-180 МПа против 200-240 МПа у стали. Площадь контактных поверхностей увеличивают на 25-30% по сравнению со стальными аналогами. На болтовых соединениях устанавливают усиленные шайбы для распределения нагрузки.

Твердость поверхности чугунных деталей позволяет использовать их в узлах трения без дополнительной термообработки. Износостойкость в 1,5-2 раза выше, чем у незакаленной стали, но ударные нагрузки сводят это преимущество на нет. Для работающих на истирание элементов применяют стальные накладки с поверхностной закалкой.

Коэффициент температуропроводности чугуна 14-16 мм²/с против 11-13 мм²/с у стали снижает риск коробления при локальном нагреве. Это свойство полезно для печного литья, но в строительных конструкциях не играет значимой роли. Термические напряжения все равно требуют компенсационных зазоров в 5-7 мм на погонный метр.

Акустические свойства материала не позволяют использовать его для звукоизоляции – волновое сопротивление чугуна 3,5·10⁶ кг/(м²·с) близко к стали. Для шумопоглощения эффективнее применять пористые бетоны или минераловатные плиты. Вибрации в чугунных конструкциях затухают медленнее из-за высокой плотности 7100-7300 кг/м³.

Магнитные свойства чугуна сильнее выражены, чем у стали, что мешает его применению в электротехнических сооружениях. Коэрцитивная сила достигает 100-150 А/м против 50-80 А/м у конструкционных марок. Вблизи силовых кабелей или трансформаторов возникают паразитные нагрев и вибрации.

Удельное электрическое сопротивление 0,5-0,6 мкОм·м ограничивает использование в заземляющих устройствах. Стальные электроды с 0,13-0,20 мкОм·м эффективнее отводят токи короткого замыкания. Для молниезащиты предпочтительны медные или алюминиевые шины с меньшим омическим сопротивлением.

В ремонтной практике чугунные элементы заменяют стальными при восстановлении старых зданий. Соединение разнородных материалов выполняют через биметаллические прокладки или эпоксидные составы. Переходные элементы проектируют с учетом разницы в коэффициентах линейного расширения.

Срок службы чугунных конструкций в агрессивных средах не превышает 25-30 лет из-за постепенного развития графитовой коррозии. Стальные каркасы с цинковым покрытием служат 50 лет и более. Капитальный ремонт чугунных опор требует полной замены элементов, тогда как стальные можно усиливать накладками.

При выборе материала для несущих систем руководствуются расчетными нагрузками и условиями эксплуатации. Чугун остается нишевым решением для специфических задач, где его недостатки не являются критичными. В массовом строительстве сталь сохраняет преимущество по совокупности механических и технологических свойств.

Рассказать друзьям:

Комментарии

Пока нет комментариев