§2.3. Основные свойства СтМ

А) Физические свойства

Плотность – свойство материала, количественно характеризующее отношение его массы к занимаемому им объему.

Вопрос. Массы или веса материала? В чем принципиальная разница?

Различают истинную плотность материала , определяемую без учета пустот и пор в нем, и среднюю плотность ₀, учитывающей эти показатели.

Истинная плотность  определяется для материала в “абсолютно плотном” состоянии и равна массе в единице объема V материала:

 = m/V, (2.1)

где m – масса материала; V – занимаемый им объем.

Средняя плотность ₀ определяется для материала с учетом его пустотности как масса единицы его объема V₀:

₀ = m/V₀. (2.2)

Плотность пористых материалов ₀ еще называют объемной массой, а сыпучих – насыпной плотностью. Кроме того, для сыпучих и волокнистых материалов и изделий отношение объема пустот к общему объему материала или изделия называют пустотностью.

Примеры значений  и ₀ для некоторых СтМ приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Примеры значения плотностей для некоторых СтМ

Материалы	Плотность , г/см3	Плотность 0, г/см3
Гранит	2,65-2,8	2,65
Дуб Сосна	1,54 1,54	0,72 0,46
Кирпич (керамический, плотный)	2,5-2,6	1,6-2,0
Полиэтилен	0,97	0,97
Строительная сталь	7,86	7,86
Керамзит	2,5-2,6	0,4-0,6
Минеральная вата	2,8	0,075-0,4
Пенопласт (мипора)	1,5	0,02-0,1

Степень заполнения объема материала твердым веществом называется относительной плотностью d:

d = ₀/. (2.3)

Для плотных материалов d = 1 (см. табл. 2.1).

Пористостью П₀ материала называется отношение объема пор V_пор в материале к его объему V₀:

П₀ = V_пор/V₀ (2.4)

и вычисляется по формуле

П₀ = 1 – ₀/. (2.5)

Свойства СМ (прочность, теплопроводность, водонепроницаемость и др.) определяются их пористостью, а также структурой порового пространства, характеризуемой следующими показателями:

1. Общей пористостью П₀.

2. Открытой пористость П_и, равной отношению объемов сообщающихся между собой и поверхностью образца пор V_и, к объему образца V₀:

, (2.6)

где m₁ – масса образца в сухом состоянии; m₂ – то же в водонасыщенном; V₀ – объем образца в сухом состоянии.

3. Закрытой пористостью П_з:

П_з = П₀ – П_и. (2.7)

4. Интегральной кривой распределения пор по их радиусам в единице объема материала:

Рис. 2.7. Интегральная кривая

распределения пор по радиусам

5. Дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам:

dV/dr = f_V(r), (2.8)

определяемой как тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой, показанной на рис. 2.7.

Ее физический смысл – объем всех пор определенного радиуса в единице объема материала.

Рис. 2.8. Дифференциальная кривая

распределения пор по радиусам

6. Удельной поверхностью порового пространства S, равной площади поверхности пор в единице массы материала.

Для сыпучих материалов – это площадь поверхности зерен массой, равной единице. Примеры: для микрокремнезема S = 20000-25000 см²/г, для цемента – 2300-3600 см²/г, для кварцевого песка – 150-250 см²/г.

Вопрос: у какого геометрического тела удельная поверхность наибольшая?

7. Средним радиусом пор r_ср.

Вопрос: как можно определить r_ср?

По величине r_ср поры подразделяются на:

а) микрокапилляры с r_ср  50 (ангстрем = 10^-10 м);

б) переходные капилляры 50  r_ср  1000 ;

в) макрокапилляры 1000  r_ср  10000 ;

г) некапиллярные поры 10000  r_ср.

Отметим, что микро- и близкие к ним по размерам переходные капилляры могут заполняться водой из влаги воздуха, макро- и близкие к ним по размерам переходные капилляры  при контакте с жидкостью (под действием капиллярного давления), а некапиллярные поры – только при погружении материала в жидкость.

Гигроскопичность – способность капиллярно-пористого материала поглощать из влажного воздуха водяные пары. При этом, в отличие от сухого состояния (для этого материал высушивается при температуре 105 ⁰С до постоянной массы), материал будет находиться в воздушно-сухом состоянии.

Возвращаясь к классификации пор по размерам, отметим что именно микро- и близкие к ним по размерам переходные капилляры определяют гигроскопическую влажность СМ.

Определения: физико-химический процесс поглощения пористым материалом водяных паров из воздуха называется сорбцией, а обратный ему процесс – десорбцией.

Типичная кривая процесса сорбции СтМ (сплошная линия) показана на рис. 2.9. Отметим, что кривые сорбции и десорбции (пунктирная линия) не совпадают – образуется петля гистерезиса (площадь между кривыми).

Рис. 2.9. Схема изотермы сорбции при t = const

W – равновесное влагосодержание;

 – относительная влажность

Определение: величина гигроскопичности СтМ (W_г) равна отношению массы поглощенной влаги из воздуха к массе сухого материала (при данной температуре и влажности).

Максимальная величина W_г достигается при  = 100 %.

Чем выше микрокапиллярная пористость СМ, тем выше W_г.

Повышенная гигроскопичность СтМ может значительно ухудшать их свойства – снижать прочность, повышать теплопроводность, но она важна адсорбентов, предназначенных для снижения влажности воздуха (например, изобретением года была признана идея водообеспечения в пустыне за счет сорбции бумагой влаги воздуха ночью и ее испарением днем в замкнутом пространстве – пирамиде с прозрачными стенками).

Прочность, теплопроводность и ряд других свойств одного и того же пористого материала изменяются в зависимости от его влажности, характеризующей состояние материала.

Определение: влажность материала определяется содержанием в нем влаги, отнесенным к массе материала в сухом состоянии.

Влажность материала W вычисляют по формуле (%):

, (2.9)

где m₂ – масса влажного образца; m₁ – масса сухого образца.

Известны и другие способы определения влажности материала, например, путем измерения электросопротивления и электроемкости влажного материала.

Определение: водопоглощением называют способность материала поглощать и удерживать воду.

Определяют его путем полного насыщения водой предварительно высушенного материала. Различают водопоглощение по массе и объему:

а) количество поглощенной материалом воды, отнесенное к массе сухого материала, называется водопоглощением по массе W_m (%) и вычисляется по формуле (2.9);

б) объем поглощенной материалом воды V_в, численно равный ее массе (m₂ – m₁), отнесенный к объему материала V, называется объемным водопоглощением W_V (%) и определяется по формуле

, (2.10)

где ρ_в – плотность воды, равная единице.

Объемное водопоглощение W_V характеризует интегральную (кажущуюся) пористость материала П_а и связано с водопоглощение по массе W_m зависимостью:

W_V = ρ₀W_m, (2.11)

где ρ₀ – средняя плотность материала.

При увлажнении пористого материала изменяются некоторые его свойства и, прежде всего, уменьшается прочность.

Определение: степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называется водостойкостью.

Водостойкость материала численно характеризуется коэффициентом размягчения К_разм., определяемым по формуле:

, (2.12)

где R_нас. – предел прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии; R_cyx. – предел прочности при сжатии сухого материала.

Снижение прочности материала при его увлажнении может быть вызвано:

1. действием адсорбционно-активной среды (эффект Ребиндера);

2. растворением метастабильных контактов срастания кристаллов, из которых сложен материал;

3. набуханием присутствующих в некоторых материалах глинистых минералов и др.

Строительные материалы вследствие различия в плотности, структуре, вещественном составе характеризуются различной водостойкостью. Такие материалы, как стекло, фарфор, сталь, имеют коэффициент размягчения, равный единице; некоторые же природные каменные материалы, содержащие в своем составе значительное количество глины, могут полностью разрушаться при насыщении водой.

Определение: водонепроницаемостью называют способность материала не пропускать через себя воду.

Повышенные требования по водонепроницаемости предъявляются к материалам для гидротехнических сооружений, труб, резервуаров.

Водонепроницаемость материалов определяется на специальных приборах и численно характеризуется количеством воды В, прошедшим за единицу времени t через единицу площади испытуемого образца S при заданном перепаде давления Р₂ – Р₁ на единицу его толщины.

Водонепроницаемость неплотных материалов характеризуют коэффициентом проницаемости (фильтрации), определяемым по формуле:

(2.13)

(обозначения смотри выше).

Плотные материалы с относительной плотностью d, близкой к единице, такие, как стекло, сталь, фарфор, полиэтилен и др., практически водонепроницаемы. Поэтому их водонепроницаемость характеризуется маркой по водонепроницаемости W2, W4 и т.д., в которой цифра показывает, при каком давлении воды в кг/см² бетон остается для нее непроницаем. Например, бетон марки по водонепроницаемости W4 не пропускает воду при давлении 0,4 МПа.

Вопрос: бетон марки по водонепроницаемости W4 выдержит не протекая какой высоты столб воды?

Фильтрация воды через пористый материал обычно происходит по сквозным капиллярам и пустотам. Водонепроницаемость пористых материалов тем ниже, чем больше кажущаяся пористость и крупнее капилляры (рис. 2.10). В то же время, если со временем наблюдается уменьшение размеров капилляров, например, при твердении бетона, то его водонепроницаемость повышается (соответственно снижается водоприницаемость В_пр. – рис. 2.11).

Рис. 2.10. Зависимость коэффициента проницаемости бетона kпр. от объема макропор VМП [2.4]

Рис. 2.11. Влияние возраста бетона t на его водопроницаемость Впр. (за 100 % принята водопроницаемость в возрасте 30 сут.) [2.4]

Определение: под морозостойкостью понимают способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать требуемое по условиям долговечности или срока службы сооружения число циклов попеременного замораживания и оттаивания.

В зависимости от числа циклов попеременного замораживания и оттаивания n, которые выдержал материал, устанавливается его марка по морозостойкости.

Цикл испытания включает замораживание образца, предварительно насыщенного водой, в морозильной камере при температуре минус 15-20 °С и последующее оттаивание в воде комнатной температуры. После заданного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют изменение прочности материала при сжатии

; (2.14)

и его массы

, (2.15)

где R_Мрз. и m_Мрз. – прочность и масса образцов, прошедших n циклов попеременного замораживания и оттаивания; R_нас. и m_нас. – прочность и масса водонасыщенных образцов до замораживания.

При этом допускается снижение прочности материала не более чем на 15 % и потеря по массе не более чем на 5 %.

На результаты, получаемые при определении морозостойкости одного и того же материала, существенно влияет скорость промерзания, которая зависит от формы и размеров образцов и от температуры в морозильной камере. Поэтому для получения сравнимых результатов следует строго придерживаться методических указаний, изложенных в соответствующих ГОСТах.

Напряжения, возникающие при замораживании насыщенного водой образца, обусловливаются как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызываемым увеличением объема при образовании льда примерно на 9 %. Последнее объясняется тем, что плотность воды равна единице, а плотность льда 0,917 г/см³. Гидростатическое давление при этом может достигать 200 МПа.

Очевидно, что при полном заполнении всех капилляров и пустот пористого материала водой разрушение наступит при первом же цикле замораживания. Способность пористых материалов в насыщенном водой состоянии противостоять многократному замораживанию и оттаиванию обусловливается тем, что часть порового пространства материала остается не заполненной водой. При насыщении пористого материала путем погружения в воду в основном заполняются макрокапилляры; микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат теми резервными порами, куда отжимается вода из макрокапилляров в процессе замораживания. При работе пористого материала в атмосферных условиях (в наземных конструкциях) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными, и в них отжимается вода при замораживании.

Следовательно, морозостойкость пористых материалов с одной и той же интегральной (открытой) пористостью определяется характером структурной пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Морозостойкость пористых материалов тем выше, чем меньше их водопоглощение и чем больше прочность при растяжении.

Литература к лекции 2

2.1. Айрапетов Д.П. Архитектурное материаловедение: Учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1983. – 310 с.

2.2. Рыбьев И.А. Основы строительного материаловедения в лекционном изложении: [учебное пособие]. – М.: Амстрель: АСТ: Хранитель, 2006. – 604 с.

2.3. Александровский С.В. Долговечность наружных ограждающих конструкций. – М., 2004. – 332 с.

2.3. Шейкин А.Е. Строительные материалы. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1978.

2.4. Баженов Ю.М. Технология бетона. Учебник. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 500 с.

14