Физические свойства.

Физическое состояние строительных материалов достаточ­но полно характе-ризуется средней и истинной плотностью, а также пористостью.

Средняя плотность — масса единицы объема материала в естественном виде (вместе с порами):

где — масса образца материала, г;

— объем образца, см³.

При изменении температуры и влажности среды, окружа­ющей материал, ме-няется его влажность, а следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель средней плотности определяют после предварительной просушки материала до по-стоянной массы или вычисляют по формуле

где — количество воды в материале (доля от его массы),

и — средняя плотность влажного и сухого материала.

Насыпная плотность (г/см³) — отношение массы мате­риала в насып-ном состоянии к его объему. Насыпную плот­ность определяют для сыпучих мате-риалов (песка, щебня, це­мента и т.п.). В ее величине отражается влияние не толь-ко пор в каждом зерне, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме ма-териала.

Истинная платность (г/см³) — масса единицы объема материала в аб-солютно плотном состоянии. Для каждого ве­щества это постоянная характеристика (физическая констан­та). В этом заключается существенное отличие истинной плот­ности от средней, именуемой в последующем плотность.

где — масса материала, г;

— объем материала без пор в абсолютно плотном со­стоянии.

Часто плотность материала относят к плотности воды при 4°С равной 1г/см³, и тогда определяемая плотность становит­ся как быбезразмерной величиной, ко-торую называют отно­сительной плотностью d.

Большинство строительных материалов имеет поры, по­этому у них истинная плотность всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (сталь, стекло, би-тум и др.) истинная и средняя плотность практически равны, так как объем внут­ренних пор у них ничтожно мал.

Пористость — относительная величина, показывающая, какая часть объе-ма материала занята внутренними порами. Определяется по формуле

или

Пористость материалов колеблется в широких пределах: от 0, 2 до 0, 8% у гранита и мрамора и свыше 90% у пенопластов и минеральной ваты.

Свойства материалов по отношению к различным, физи­ческим воздействии-ям. Отношение материала к статическому или циклическому воздействию воды или пара характеризует­ся гидрофизическими свойствами (гигроскопичность, капил­ляр-ное всасывание, водопоглощение, водостойкость, водопро­ницаемость, паропрони-цаемость, влажностные деформации, морозостойкость).

Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсиро-вать водяные пары из воздуха, которая вызы­вается сорбцией, представляющей собой физико-химичес­кий процесс поглощения водяных паров из воздуха в ре­зультате их адсорбции на внутренней поверхности пор ма­териала и капиллярной конденсации.

Капиллярная конденсация возможна только в капилля­рах с малым радиу-сом (менее 10 ^-7 м), так как разность дав­лений насыщенного водяного пара над во-гнутой поверхнос­тью мениска и плоской поверхностью капилляров с боль­шим радиусом несущественна. Гигроскопичность зависит как от свойств материала (величины и характера пористос­ти), так и условий внешней среды (температуры и относи­тельной влажности воздуха). Она характеризуется величи­ной отноше-ния массы поглощенной материалом влаги при относительной влажности воз-духа 100% и температуре 20°С к массе сухого материала в %.

Капиллярное всасывание (подъем) воды пористым мате­риалом происходит по капиллярным порам, когда часть кон­струкции соприкасается с водой. Например, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть сте-ны здания. Это свойство характеризуется высотой подня­тия уровня воды в капил-лярах материала, количеством погло­щенной влаги и интенсивностью всасывания. При его каче­ственном определении высоту всасывания воды можно опре­делить экс-периментально по методу «меченых» атомов, или по измерению его электропрово-дности. Уменьшение интен­сивности капиллярного всасывания указывает на улуч-шение структуры материала (например, бетона) и повышение его дол­говечности.

Водопоглощение — свойство материала поглощать и удер­живать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Количество поглощенной материалом воды, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по мас­се, а отнесенное к его объему — водопоглощением по объему:

где — масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой со-стоянии, кг;

— плотность воды кг/м³;

— объем материала, м³.

При деления этих выражений устанавливается зависимость:

Водопоглощение по объему отражает степень заполнения пор материала во-дой. Так как вода проникает не во все за­мкнутые поры и не удерживается в откры-тых пустотах, объем­ное водопоглощение меньше истинной пористости.

Коэффициент насыщения пор водой — отношение водопоглощения по объему к общей пористости:

Коэффициент насыщения позволяет оценить структуру материала. Он мо-жет изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры откры-тые, т.е. водопоглощение по объему равно пористости). Уменьшение К_н (при той же пори­стости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что проявля-ется, например, в повышении морозостойкости.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свойства: уве-личивается средняя плотность и теплопровод­ность, происходят некоторые структу-рные изменения в мате­риале, вызывающие в нем появление внутренних напряже-ний, и, как следствие, приводят к снижению прочности материала. Влажностные деформации — изменение размера и объе­ма материала при его высыхании, на-зывают усадкой (усуш­кой), а увеличение размеров при увлажнении вплоть до пол­ного насыщения материала водой — набуханием (разбухани­ем). Усадка воз-никает и увеличивается в результате уменьше­ния толщины слоев воды, окружаю-щих частицы материала, и действия внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами, слагающими ма­териал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц. Материалы высоко-пористого и во­локнистого строения, способные поглощать много воды, харак­теризу-ются большой усадкой (древесина 30-100 мм/м; ячеис­тый бетон 1-3 мм/м; кир-пич керамический 0, 03-0, 1 мм/м; гра­нит 0, 02-0, 06 мм/м).

Водостойкость — способность материала сохранять проч­ность при увла-жнении, числовой характеристикой которой яв­ляется коэффициент размягчения

где R_в и R_c — предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образца. Этот коэффициент изменяется от 0 (полностью размягча­ющие материалы (например, необожженные глиняные мате­риалы) до величины, близ-кой к 1 (сталь, стекло, гранит). При величине коэффициента размягчения у ма-териалов больше 0, 8 их разрешается применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения.

Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности. Мно­гократное гигроскопическое увлажнение и вы-сушивание вы­зывает в материале знакопеременные напряжения и со време­нем приводит к потере им несущей способности.

Влагоотдача — свойство, характеризующее скорость высы­хания матери-ала, например, при понижении влажности, нагре­ве, движении воздуха. Влагоот-дача характеризуется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влаж­ности воздуха 60% и температуре 20°С. В естественных ус-лови­ях вследствие влагоотдачи через некоторое время устанавливает­ся равнове-сие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Та-кое состояние равновесия называют воз­душно-сухим (воздушно-влажным) сос-тоянием.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под дав-лением. Характеристикой водопроницаемости слу­жит количество воды, про-шедшее в течение 1 с через 1 м² поверхности материала при заданном давле-нии воды. Водо­проницаемость зависит от плотности и строения материала. С увеличением количества пор и их диаметра водопроницае­мость повышает-ся. При выборе материалов для специальных целей (кровельные материалы, бетоны для гидротехнических сооружений, трубы и пр.) чаще оценивают не водопроницае­мость, а водонепроницаемость, характеризуемую периодом времени, по истечении которого появляются признаки проса­чивания воды под давлением через образец испытуемого ма­териала (кровельные материа-лы), или предельной величины давления воды, при котором она не проходит через образец (например, бетон).

Паропроницаемость и газопроницаемость — способность пропускать водяной пар или газы, воздух. Она характеризует­ся коэффициентом паропро-ницаемости, численно равным ко­личеству водяного пара, проникающего че-рез материал тол­щиной 1 м, площадью 1 м² в течение 1 с и разностью парци­альных давлений пара в 133, 3 Па. Аналогичным коэффициен­том оценивается и газопроницаемость (воздухопроницаемость). Эти характеристики определяют-ся для комплексной оценки физических свойств строительного материала или при его специальном назначении. Материалы для стен жилых зданий долж-ны обладать определенной проницаемостью (стена дол­жна «дышать»), т.е. через наружные стены происходит есте­ственная вентиляция. Наоборот стены и покрытия влажных помещений необходимо защищать с внутренней сторо-ны от проникновения через них водяного пара, особенно зимой, ког­да содер-жание пара внутри помещений значительно больше, чем снаружи и пар, про-никая в холодную зону ограждения, конденсируется, резко повышает влаж-ность в этих местах. В емкостях для хранения газов необходима практически пол­ная газонепроницаемость.

Морозостойкость — свойство материала, насыщенного во­дой, выдер-живать многократное попеременное заморажива­ние и оттаивание без значи-тельных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости, в основном, зави­сит долговечность материалов, применяемых в наружных зо­нах конструкций зданий и инженерных сооружений. Разруше­ние материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряже-ний, вызванных как односторон­ним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вы­званным увеличением объема при образовании льда пример­но на 9% (пло-тность воды рана 1, а льда 0, 917). При этом давление на стенки пор может дос-тигать в ряде случаев сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и ка­пилляров водой разрушение может наступить даже при одно­кратном замораживании. Однако у многих пористых материа­лов вода не мо-жет заполнить весь объем доступных пор, по­этому образующийся при заме-рзании воды лед имеет свобод­ное пространство для расширения. При насы-щении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрока-пил­ляры. Микрокапилляры при этом заполняются водой частич­но и служат резервными порами, куда отжимается вода в про­цессе замораживания.

При работе материала в атмосферных условиях (наземные конструк-ции) водой заполняются в основном микрокапилля­ры за счет сорбции водя-ных паров из окружающего воздуха. Крупные же поры и макрокапилляры яв-ляются резервными, следовательно, морозостойкость пористых материалов опре деляется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации из-готовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность ма­териала при его растяжении. Учитывая неоднородность стро­ения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у по­ристых материалов, имеющих объемное во-допоглощение не более 80% и объема пор (К_н< 0, 8). Разрушение материала при этом наступает после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Морозостойкость характеризуется числом циклов попере­менного заморажи-вания при -15...-17°Си оттаивания в воде при температуре около 20°С. Выбор те-мпературы заморажи­вания не выше -15... -17°С вызван тем, что при более высо­кой температуре, вода, находящаяся в мелких порах и капил­лярах, не может вся за-мерзнуть. Число циклов (марка), кото­рое должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и ука­зыва-ется в СНиП и ГОСТ. Например, для ограждающих кон­струкций требуемая марка по морозостойкости может быть в пределах 15-50 циклов.

Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количе-ства циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате вы-крашивания и рассла­ивания не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 15% (для некоторых материалов на 25%).

Для определения морозостойкости иногда используют ускоренные методы испытаний, например с помощью сер­нокислого натрия. Кристаллизация этой со-ли из насыщен­ных паров при, ее высыхании в порах образца воспроизво­дит ме-ханическое действие замерзающей воды, но в более сильной степени, так как об-разующиеся кристаллы имеют больший объем, чем вода при замерзании.

Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздейст-вию характеризуется его теплопроводнос­тью, теплоемкостью, термической стой-костью, огнестойкос­тью, огнеупорностью.

Теплопроводность — свойство материала передавать теп­лоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность [ Вт / (м ∙ °С)] характеризу-ется количеством тепло­ты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м пло-ща­дью 1 м² в течение 1 с при разности температур на противопо­ложных повер-хностях материала 1^оС.

Для некоторых групп материалов установле­на определенная связь между теп-лопроводностью и относитель­ной плотностью d (формула В.П. Некрасова):

С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, так как вода имеет теплопроводность в 25 раз боль­ше, чем воздух. Еще в большей степе-ни возрастает теплопро­водность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопровод­ность льда равна 2, 3 Вт/(м ∙ °С), т.е. в 4 раза больше, чем у во­ды (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость теплопро-водности неорганических мате-риалов от плотности: 1 — сухие материалы; 2 и 3 — воздушно-сухие материалы с разной влаж­ностью; 4 — материалы, насы-щенные водой/

Теплопроводность боль-шинства строительных матери-алов увеличивается с повыше-нием их температуры.

Теплопроводность учитывается при теплотехнических рас­четах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а так­же требуемой толщины тепло-вой изоляции горячих поверхно­стей и холодильников. Она связана с термиче-ским сопротив­лением слоя материала R (м² ∙ °С/Вт), которое определяется по формуле ,

где — толщина слоя, м;

― теплопроводность слоя материала, Вт/(м ∙ °С). От термического сопро-тивления зависят толщина наруж­ных стен и расход топлива на отопление зда-ний. В табл. 1.2 приведены значения теплопроводности материалов в воздуш­но-сухом состоянии. Таблица 1.2.

Теплоемкость — свойство материала аккумулировать теп­лоту при нагре-вании. При использовании материалов с повы­шенной теплоемкостью для стен, пола и других частей поме­щений температура в комнатах может сохраняться устойчиво длительное время. Теплоемкость оценивают коэффициентом теплоемкости (удель-ной теплоемкостью), т.е. количеством теп­лоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1°С.

Строительные материалы имеют теплоемкости меньше, чем у воды, кото-рая обладает наибольшей теплоемкостью [4, 2 кДж/(кг∙ °С)]. Например, коэффи-циент теплоемкости лес­ных материалов 2, 39-2, 72 кДж /(кг∙ °С), каменных мате-риа­лов 0, 75-0, 92 кДж /(кг∙ °С), стали 0, 48 кДж/(кг∙ °С). Поэто­му с увлажнением материала их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопровод-ность.

Термическая стойкость — способность материала выдержи­вать чередова-ние (циклы) резких тепловых изменений. Это свой­ство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его ве­ществ. Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) ха-рактеризует удлинение материала при нагревании его на 1°С. Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость. При жестком соединении материалов с различными КЛТР в конструкциях мо-гут возни­кать большие напряжения и как результат — локальные дефор­мации и разрушение. Во избежание этого конструкции большой протяженности разреза-ют деформационными швами.

Огнестойкость — свойство материала противостоять дей­ствию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей спо-собности. По степени огнестой­кости строительные материалы делят на нес-гораемые, труд­носгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в услови­ях высоких температур не подвержены воспламенению, тле­нию или обугли-ванию. При этом некоторые материалы почти не деформируются под воздейс-твием высоких температур (кир­пич), другие могут деформироваться сильно (сталь) или рас­трескиваться (гранит). Трудносгораемые с трудом воспламе­няются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня эти процессы прекращаются (асфальтовый бетон, фибролит и др.). Сго-раемые материалы под воздей­ствием огня или высокой температуры восп-ламеняются и го­рят или тлеют и после удаления источника огня (древесина, битумы, смолы и др.).

Огнеупорность — свойство материала выдерживать дли­тельное воздейс-твие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру более 1580°С, называют огнеупорными, от 1350 до 1580 °С — тугоплавкими, ниже 1350^сС — легкоплавкими. Материалы, кото-рые способны длительное время выдерживать температу­ру до 1000°С при не-значительной потере прочности, относят к жаростойким (кирпич, жаростой-кий бетон и др.).

Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою струк-туру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирую-щих излучений. Уровень радиации во­круг современных источников ионизиру-ющих излучений в ряде случаев приводит к глубокому изменению структуры матери­ала (происходит аморфизация структуры кристаллических ми­нералов, которая сопровождается объемными изменениями и возникновением внут-ренних напряжений). Для сравнительной оценки защитных свойств материа-ла используют «толщину слоя половинного ослабления», равного толщине слоя защит­ного материала, необходимой для ослабления интенсивности из-лучения в два раза»

Акустические свойства связаны со взаимодействием ма­териала и зву-ка. К этим свойствам относятся: звукопровод­ность — способность материала проводить звук через свою тол­щу, и звукопоглощение — способность материа-ла поглощать и отражать падающий на него звук.

Звукопроводность материала зависит от массы материала и его строения. Если масса материала велика, то энергии звуко­вых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание. Поэтому чем боль­ше масса материала, тем меньше он проводит звук. Плохо про­водят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуко­вая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхнос­тью материала, переходя при этом в тепловую энергию. Звуко­поглощение зависит от характера поверхнос-ти и пористости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают зна­чительную часть падающего на них звука (эффект зеркала), по­этому в по-мещениях с гладкими стенами из-за многократного отражения от них звука создается постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуко­вые колебания, входя в поры, поглощаются материалом. Так мягкая мебель, ковры, специальная штукатурка и облицовка с мелкими открытыми порами хорошо заглушают звук.

Механические свойства.