Тема5(лекции 6–12) свойства строительных материалов

1. Классификациясвойств

Свойстваминазываютспособностьматериаловопределен-нымобразомреагироватьнавоздействиеотдельногоилине-сколькихвнешнихиливнутреннихфакторов:силовых,усадоч-ных,тепловыхидругих.

Каждыйматериалобладает комплексомсвойств.

Кромепонятия«свойство»существуютколичественныепоказатели,покоторымоценивают«степень»егопроявлениядля каждогоматериала,сравниваютматериалымеждусобой.

Всемногообразиесвойствстроительныхматериаловпри-няторазделятьначетырегруппы.

1. Физическиесвойствахарактеризуютматериалкакфизи-ческоетело,атакжеегоотношениекразличнымфизическимфакторам(действиюводы,различныхтемператур,электриче-ского тока и т.д.).

2. Механическиесвойствахарактеризуютспособностьма-териаласопротивлятьсядействиювнешнихмеханическихсил,приводящихк сжатию,растяжению,изгибуит.д.

3. Технологическиесвойствахарактеризуютспособностьматериалаподвергатьсяобработкеипереработке(шлифоватьсяиполироваться,изменятьформу,уплотнятьсяит.д.).

4. Химическиесвойствахарактеризуютспособностьмате-риалакхимическимпревращениямподдействиемразличныхвеществифакторов(превращениямполезным–гидратациявя-жущихвеществивредным–коррозияматериалов).

2. Физическиесвойства

1. Свойстваматериала,характеризующиеегокакфизическоетело

Истиннаяплотность(ρ)–массаединицыобъемаматериа-лавабсолютноплотномсостоянии,т.е.безпор,трещинилипустот,присущихматериалувегоестественномсостоянии.

Рассчитываетсякакотношениемассыматериалакегообъ-емувабсолютноплотном состоянии:

m

ρ = . (5.1)

V_a

Размерность– г/см^3иликг/м³.

Истиннаяплотностьпозволяетсудитьотом,каким–лег-кимилитяжелым–являетсявеществоматериала,потомучтозначениеистиннойплотностипоказывает,какуюмассуимеет1см^3или1м^{3вещества}материала.Можносказать,чтоистин-наяплотностьявляетсяфизическойконстантойданногомате-риала.

Наистиннуюплотностьматериалавлияют:

• химический составматериала,например:

• дляорганическихматериалов(С,Н) 1–1,6г/см³

• длянеорганическихматериалов:

оксиды Si, Ca,Al 2,2–3,3г/см³

портландцементныйклинкер 3,2г/см³

керамический черепок 2,5–2,6г/см³

– для стали(Fe) 7,8–7,9г/см³

• внутреннеестроениевещества,плотностьупаковкичастиц(атомов,молекул),например:

Н2О	– вода– 1 г/см3,	лед– 0,92 г/см3;
С	– графит– 2,2 г/см3,	алмаз– 3,5 г/см3.

Основнойзадачейвопределенииистиннойплотностиявля-етсяизмерениеобъемаматериалавабсолютноплотномсостоя-

нии.Дляэтогоматериализмельчаютипогружаютвобъемомер,заполненныйинертнойдляданногоматериалажидкостью(при-борЛеШателье,мерныецилиндры,пикнометры).Объемопре-деляетсяпометодувытесненияжидкости.

Средняяплотность(ρ_т)–характеризуетмассуединицыобъемаматериалавестественномсостоянии(вместеспорамиипустотами).Рассчитываетсяпутемделениямассыобразцанаего объем:

ρ_m=

m

. (5.2)

V_e

Размерность– вг/см^3иликг/м³.

Средняяплотностьпозволяетсудитьотом,каким–легкимилитяжелым–являетсяматериалилиизделие,потомучтозна-чениесреднейплотностипоказывает,скольковесит1см^3или1м^{3материала.}

Средняяплотностьстроительныхматериаловизменяетсяот10–20до 2500 кг/м^{3и более.}

Насреднююплотностьвлияют:

• пористостьматериала(приувеличениипористостисредняя плотностьуменьшается);

• влажностьматериала(чемвышевлажность,темвышесредняя плотность).

Среднююплотностьопределяютуматериаловвсухомсо-стоянии.

Объемматериалаизмеряютпо-разномувзависимостиотформыобразцаилиизделия(правильнаягеометрическаяформаилинеправильная).

Повеличинеρ_тможнокосвенносудитьомногихсвойствахматериала(теплопроводности,прочности).

Средняяплотность–одноизсамыхважныхсвойствтепло-изоляционныхматериалов,поэтомузначениесреднейплотно-стиявляетсямаркойтеплоизоляционныхматериалов.

Например,маркатеплоизоляционногогазобетонаД400оз-начает, чтосредняяплотностьнепревышает400 кг/м³.

Пористость(П)–степеньзаполненияобъемаматериалапорами;еевычисляютпоформуле:

V

П^пор100%.

V_е

(5.3)

Пористостьможноопределитьспомощьюспециальныхприборов– поромеровиливычислитьпоформуле:

^{Пт100%.или} (5.4)



П^1^т100%^{. (5.5)}

 _

 

Пористостьизменяетсявширокомдиапазонеустроитель-ныхматериалов:

П= 0%– стекло,битум,сталь,полимеры;П= 0,2–0,8 %–гранит;

П= 75–85 %– газобетон(ячеистыйбетон);П= 90–98 %–ячеистыепластмассы.

Порыразличаются по размеру,формеи характеру.

Поры могутбытьразмеромот10^–3до10^–9м:

• микрокапилляры,r0,1 мкм(1 мкм =10^–6м= 10^–3мм)(мелкие);

• макрокапилляры,rот 0,1 до 10 мкм (средние);

• некапиллярныепоры(крупные).

Поформеихарактерубывают:

• изолированные,закрытыепоры(рис.5.1);

• сообщающиесяпоры(рис.5.2);

• открытые поры (рис.5.3).

Рис.5.1 Рис.5.2 Рис.5.3

дой.

Порывматериалемогутбытьзаполненывоздухомиливо-

При увеличении пористости:

уменьшаются средняя плотностьматериала,

теплопроводностьматериала,увеличиваются водопоглощение(приоткрытых порах),

водопроницаемость(приоткрытыхпо-рах).

Длябольшинстваматериаловнаиболееблагоприятная

структура–микропористаясравномернораспределеннымизамкнутыми порами.

Кромепонятия «пористость»существуетещепонятие«пус-тотность»длястроительныхизделийсоспециальносозданнымивпроцессеизготовленияправильнымипо формепустотами.

Пустотность– степеньзаполненияобъемаизделия пусто-тами,%.

П= (V_п/V_e)100%.

Пустотымогутбытьсквознымиинесквозными.Примеры:пустотелыйкерамический кирпичи камень.Пустотностьснижаетмассуизделияи егосреднююплот-

ность ивлияетнадругиесвойства.

Длязернистыхсыпучихматериалов,неимеющихпостоян-нойформы,характеристикамиявляютсяплотностьзерна,на-сыпнаяплотностьимежзерноваяпустотность.

Плотностьзерна(ρ_з)–массаединицыобъемазернавесте-ственномсостоянии,т.е.этосредняяплотностьприменительнокзерну.

Насыпнаяплотность(ρ_н)–характеризуетмассуединицыобъемазернистогоматериала(песка,щебня,гравия)врыхлона-сыпанномсостоянии.Веевеличинеотражаетсявлияниенетолькомежзерновыхпустотврыхлонасыпанномобъемемате-риала, но ипорвкаждомзерне.

ρ_н=

m

. (5.6)

V_н

Размерность– г/см^3иликг/м³.

Примеры:насыпнаяплотностьпеска– 1600 кг/м³,насыпнаяплотностьцемента–1100–1300 кг/м³,

насыпнаяплотностьлегкихзаполнителей–250–1100кг/м³.

Межзерноваяпустотность–степеньзаполненияобъемарыхлонасыпанногоматериаламежзерновыми пустотами,%.

П= [(ρ_з–ρ_н)/ρ_з]100, %.

Межзерноваяпустотностьзависитотналичиявматериалезеренразногоразмераисоотношениямеждуними.Есливсезернаодногоразмера,топустотностьмаксимальна.ПоэтомудляпескаищебняГОСТамипредъявляютсятребованиякгрануло-метрическомусоставу.

Длятонкодисперсныхматериалов,получаемыхпомолом,важнойхарактеристикойявляетсястепеньизмельчения–тон-костьпомола,определяемаяпутемпросеиванияпробычерезстандартноесито.

Тонкостьпомола–величинаостатка наситев %.

Например,дляцементаостатокнасите№008недолженпревышать15%.Стандартнымситомдлягипсаявляетсясито

№ 02.

Номерситапоказываетразмеротверстийвсветувмм.Например,№008–это0,08мм,на1см^{2такого}ситанахо-

дится6400отверстий,аусита№02(0,2)–900отверстий

на1см².

2. Гидрофизическиесвойствастроительныхматериалов(свойстваматериалов поотношению

к действиюводы)

Однимизважнейшихфизическихфакторов,воздействую-щихнастроительныематериалы,являетсявода–жидкаяига-зообразная.Оченьчастовпроцессеэксплуатациистроительныеконструкцииувлажняются,иразличныесвойстваматериаловизменяются.

Взависимостиототношенияматериаловкдействиюводыониподразделяютсяна:

• гидрофильные–смачиваемыеводой(рис. 5.4а)(бетон,керамика),

• гидрофобные–несмачиваемыеводой(рис. 5.4б)(битум,большинствополимеров).

а)

б)

Рис.5.4

Вода–полярнаяжидкость,способностьводысмачиватьповерхностьматериаловзависитотстепениполярностиповерх-ности.Степеньсмачиваемостиоцениваетсякраевымугломсма-чивания.Длягидрофильныхматериаловуголострый.Чемменьшеугол,темлучшеповерхностьсмачиваетсяводой.Если

90^о(уголтупой),товодапочтиилисовсемнесмачиваетпо-верхностьматериала.

Гигроскопичностьюназываютспособностьпористыхгид-рофильныхматериаловпоглощатьводянойпаризвлажноговоздуха.

Водаадсорбируетсянаповерхностипорикапилляровиконденсируетсявмикрокапиллярахтела.Этотфизико-хими-ческийпроцессназываетсясорбциейиявляетсяобратимым(сорбциядесорбция).

Количествоадсорбированнойвлаги–сорбционная или гиг-

роскопическая влажность–определяетсяпоформуле:

тт

W ^{вл сух}100%^{. (5.7)}

^тсух

Сорбционнаявлажностьзависитоттемпературывоздуха,егоотносительнойвлажности.Сорбционнаявлажностьповы-шаетсяпри:

• повышенииотносительной влажности воздуха;

• понижениитемпературывоздуха;

• увеличении парциальногодавления водяногопара.

Рис.5.5.Изотермаадсорбции(относительная влажностьвоздухаприпостояннойтемпературе)

Гигроскопичностьзависитотвида,количестваиразмерапорвматериале.

Еслиуматериаловодинаковаяпористость,тотемате-риалы,которыеимеютболеемелкиепорыикапилляры,оказы-ваютсяболеегигроскопичными,чемкрупнопористыематериа-лы.Например,древесина,укоторойдлинныеиоткрытыепоры,оченьгигроскопична,абетониотвердевшиецементныераство-ры, укоторыхпорызамкнуты,малогигроскопичны.

Вследствиепроцессовадсорбцииикапиллярнойконденса-цииводяногопараизатмосферывлажностьпористыхстрои-тельныхматериаловдажепосле их длительнойвыдержкинавоздухедостаточновелика.Такоесостояниеназываетсявоз-душно-сухим,аустановившеесязначениегигроскопическойвлажности–равновесной влажностью.

Равновесная влажность:

• песка 4–9 %

• керамическихстеновыхматериалов 5–7 %,

• воздушно-сухойдревесины 12–18 %,

• ячеистыхбетонов 20 % и более.

Гигроскопичностьобычноотрицательносказываетсянаря-десвойств строительныхматериаловиприводитк:

• старениюцементов(для длительногохранениявыпуска-ютспециальныйгидрофобныйцемент);

• набуханиюдревесины;

• увеличениюкоэффициентатеплопроводноститеплоизо-ляционныхматериалов(поэтомустремятсяпредотвратитьув-лажнение,покрываяплитыутеплителягидроизоляционнойпленкой).

Капиллярноевсасываниеводыпористымматериаломпро-исходит,когдаматериалсоприкасается сводой.

Так,грунтовыеводымогутподниматьсяпокапиллярамиувлажнятьнижнюючастьстеныздания.Чтобыне было сыростивпомещении,устраиваютгидроизоляционныйслой,отделяю-щийфундаментнуючастьконструкциистеныотееназемнойчасти.

Капиллярноевсасываниехарактеризуетсявысотойподъемаводывматериале,количествомпоглощеннойводыиинтенсив-ностьювсасывания.

Высотаподъемаводывкапилляре:

h = 2cos/(rg),

где–поверхностноенатяжениенаграницежидкость–воздух;

–краевойуголсмачивания;r–радиускапилляра;

–плотностьжидкости;

g–ускорениесвободногопадения.

Теоретическимаксимальноезначениевысотыподъемаво-дывкапиллярегидрофильногоматериаламожетсоставлять15 мприрадиусепор 1мкм(0,001мм).

Водопоглощение–способностьматериалавпитыватьиудерживатьводупринепосредственномконтактеснейзасчеткапиллярноговсасывания,диффузии,заполнениякрупныхпорит.д.

Водопоглощениеоцениваетсяпостепенизаполненияпорматериалаводой.Водопоглощениестроительныхматериаловизменяетсяглавнымобразомвзависимостиотобъемапор,ихвидаиразмеров:чембольшепористость,тембольшеводопо-глощение.Влияетнавеличинуводопоглощенияиприродаве-щества,и степень егогидрофильности.

Водопоглощениеразличныхматериалов(бетона,кирпичаидр.)определяютпостандартнымметодикам,выдерживаяобраз-цывводевтечениезаданногосрокапритемпературе(202)°С.

Водопоглощение,определяемоепогружениемобразцовма-

териалавводу,характеризуетвосновномоткрытуюпористость,таккакводанепроникаетвзакрытыепоры.Ктомужеприиз-влеченииобразцовизванныводачастичновытекаетиз крупныхпор,поэтомуводопоглощениеобычноменьшепористости.

Например,пористостьлегкогобетонаможетбыть50–60 %,еговодопоглощениесоставляет20–30 %объема.

Величинаводопоглощенияоцениваетсяпомассеиобъему.

ВодопоглощениепообъемуW_V(%)–степеньзаполненияобъемаматериалаводой:

W_V=[(m_нас–m_сух)/V_е]·100 %, (5.8)гдеm_{нас– масса}образца материала,насыщенноговодой,г;

m_{сух– масса}образцаматериалавсухомсостоянии,г;V_{е– объем в}естественном состоянии,см³.

W_Vнеможетпревышать100 %.

W_{Vхарактеризует}открытуюпористостьматериала,т.е.ко-личествопор,доступныхдляводы.ПоэтомуW_VП.

ВодопоглощениепомассеW_m(%)определяютпоотноше-ниюк массесухогоматериала:

W_m=[(m_нас–m_сух)/m_сух]·100 %. (5.9)W_{mвысокопористых}материаловможетбытьбольше

100 %.

Знаяводопоглощениепомассеиобъему,можнорассчитать

_m:

m

^Wv_,г/см³. (5.10)

W_m

Водопоглощениеразличныхматериаловколеблетсявши-рокихпределах:

–гранита 0,02–0,7 %,

• тяжелогоплотногобетона 2–4 %,

• кирпича 8–15 %,

• пористыхтеплоизоляционных

материалов 100 %и больше.

Водопоглощениекосвеннохарактеризуетструктурумате-риала.Длястроительнойкерамикивеличинаводопоглощенияпомассеявляетсяхарактеристикой,покоторойкерамическиематериалыподразделяютсянаизделиясплотнымчерепком(W_m5%–плиткадляпола)ипористымчерепком(W_m5%–кирпич,плиткадляоблицовкивнутреннихстен,черепица).

Насыщениеводойотрицательновлияетнаосновныесвой-стваматериала:повышаетсясредняя плотность

_mнас=_mсух(1+W_m),

материалнабухает,увеличиваетсятеплопроводность,снижают-

сяпрочностьиморозостойкость.

Влагоотдача–этоспособностьматериалаотдаватьнахо-дящуюсявегопорахводуокружающейсредеприблагоприят-ныхусловиях(понижениивлажностивоздуха,увеличениитем-пературы).

Влагоотдачахарактеризуетсяколичествомводы(впроцен-тах),испарившейсяизобразцавтечение1сутокпритемперату-ревоздуха20°Сиегоотносительнойвлажности60%.Массаиспарившейсяводыравнаразницемеждумассойобразцадона-чалаиспытанияипослеегоокончания.

Величинавлагоотдачиимеетбольшоезначение,особеннодлястеновыхматериалов.Свежеоштукатуренныестенывсегдаимеютповышеннуювлажность,вобычныхусловияхблагодарявлагоотдачестенывысыхают.

Водаиспаряетсядотехпор,поканеустановитсяравнове-сиемеждувлажностьюматериаластенивлажностьюокру-жающеговоздуха,т.е.покаматериалнедостигнетвоздушно-сухогосостояния.

Гидрофильныематериалызначительнобыстреенасыщают-сяводой,чемвысыхают.

Влажностныедеформациихарактерныдляпористыхстроительныхматериалов,приизменениивлажностиизменяют-сяихразмерыи объем.

Набухание(разбухание)происходитпринасыщениимате-риалаводой.Молекулыводы,проникаявпромежуткимеждучастицамииливолокнами,слагающимиматериал,какбырас-клиниваютих,приэтомутолщаютсягидратныеоболочкиво-кругчастиц,исчезаютвнутренниемениски,аснимиикапил-лярныесилы.

Усадкой(усушкой)называютуменьшениеразмеровмате-риалапривысыхании.Онавызываетсяуменьшениемтолщиныслоевводы,окружающихчастицыматериала,идействиемвнутреннихкапиллярныхсил,стремящихсясблизитьчастицыматериала.Усадкавозникаетиувеличивается,когдаизмате-риалаудаляетсявода,находящаясявгидратныхоболочкахчас-тицивмелкихпорах.Испарениеводыизкрупныхпорневедет

ксближениючастицматериалаипрактическиневызываетобъ-емныхизменений.

Высокопористыематериалы,такиекакдревесина,ячеистыебетоны,способныепоглощатьмноговоды,характеризуютсябольшойусадкой.

Древесина(поперекволокон) 30–100мм/м

Ячеистыйбетон 1–3мм/м

Строительныйраствор 0,5–1мм/м

Тяжелый бетон 0,3–0,7мм/м

Кирпич керамический 0,03–0,1мм/м

Гранит 0,02–0,06мм/м

Чередованиевысыханияиувлажненияпористогоматериа-ла,частовстречающеесянапрактике,сопровождаетсяпопере-меннымидеформациямиусадкиинабухания.Такиемногократ-ныециклическиевоздействиярасшатываютструктуруматериа-ла,нередковызываюттрещины,ускоряющиеразрушение.Этохарактернодлябетонавдорожныхпокрытиях,внаружныхчас-тяхгидротехническихсооружений.Длятакогоанизотропногоматериала,какдревесина,попеременныеувлажнение–высыханиекроменабухания–усадкисопровождаютсякоробле-нием.

Свлажностнымидеформациямисвязанотакоесвойствостроительныхматериалов,каквоздухостойкость.

Воздухостойкость–этоспособностьматериалавыдержи-ватьциклическиевоздействияувлажнения–высушиваниябеззаметныхдеформацийипотеримеханическойпрочности.

Испытаниюнавоздухостойкостьдолжныподвергатьсяма-териалы,используемыедляцокольнойчастизданий,кровель,переменногоуровняводыгидротехническихсооружений.

Водопроницаемость–этоспособностьматериалапропус-катьводуподдавлением.

Характеристикойводопроницаемостислужиткоэффици-ентфильтрацииК_Ф(м/ч)–объемводы(м³),просачивающейсявтечение1ччерез1м^{2поверхности}материалапритолщине1мпризаданномдавленииводы(разностьгидростатическогодавленияна Р_1–Р_{2= 1}мвод.ст.).

К_{Ф= Vв}/[S(P_1–P₂)t], (5.11)

гдеV_{в– объем}воды,м³;

S– площадьповерхности,м²;

–толщинаслояматериала,м;t–время,ч;

(P_1–P₂)–разностьгидростатическогодавлениянапроти-воположныхповерхностяхматериала.

Коэффициентфильтрацииимеетразмерностьскорости.Степеньводопроницаемостизависитотпористостимате-

риала,формыиразмеровпор.Степеньводопроницаемостиможноснизить,повышаяплотностьструктурыматериала,изме-няяхарактерпористостиииспользуягидроизоляцию,например,избитума.

Водопроницаемость–специальноесвойство,оцениваетсядляматериалов,используемыхпристроительствегидротехни-ческихсооружений(плотин,дамб),резервуаровдляхраненияжидкостей,коллекторов,стенподвалов зданийипр.

Водонепроницаемость–способностьматериаланепропус-катьводуподдавлением.

Характеризуетсямаркой,обозначающейодностороннеегидростатическоедавление,прикоторомобразецматериаланепропускаетводувусловияхстандартногоиспытания.

Маркиповодонепроницаемости:W2, W4, W6, W8, W12.Цифраозначаетдавлениеводыватмосферах(W2–давле-

ние0,2МПа).

Маркаповодонепроницаемостиназначается,например,дляжелезобетонныхнапорныхтруб.

Междукоэффициентомфильтрацииимаркойповодоне-проницаемостиимеетсяопределенноесоотношение:чемнижеК_Ф,темвышемарка поводонепроницаемости.

Паро-игазопроницаемость–способностьматериаловпропускатьчерезсвоютолщуводянойпариливоздух(газы)приразностидавленийнапротивоположныхповерхностяхма-териала.Оцениваютсяспомощьюособыхкоэффициентов,сходныхмежду собой.Ониравныколичествуводяногопара(иливоздуха),котороепроходитчерезслойматериалатолщи-ной1м,площадью1м^2втечение1чприразностидавлений10Па.

Привозникновенииуповерхностейограждающейконст-рукцииразностидавлениягаза(водяногопара)происходитегоперемещениечерезпоры итрещиныматериала.

Стеновойматериалдолженобладатьопределеннойпрони-цаемостью.Тогдастенабудет«дышать»,т.е.черезнаружныестеныбудетпроисходитьестественнаявентиляция,чтоособен-новажнодляжилыхзданий,вкоторыхотсутствуеткондицио-нированиевоздуха.Поэтомустеныжилыхзданий,больницит.п.неотделываютматериалами,задерживающимиводянойпар.Наоборот,стеныипокрытиявлажныхпроизводственныхпомещенийнеобходимозащищатьсвнутреннейстороныотпроникновения водяногопара.

Взимнеевремявнутритеплыхпомещений(текстильныхфабрик,коммунальныхпредприятий,коровников,свинарниковит.п.)в1м^{3воздуха}содержитсяводяногопаразначительнобольше,чемснаружи,поэтомупарстремитсяпройтичерезсте-нуилипокрытие.Попадаявхолоднуючастьограждения,парконденсируется,резкоповышаявлажностьвэтихместах.Соз-даютсяусловия,способствующиебыстромуразрушениюмате-риала(легкогобетона,кирпича)наружнойограждающейконст-рукциипридействии мороза.

Паронепроницаемыематериалыдолжнырасполагатьсястойстороныограждения,скоторойсодержаниеводяногопараввоздухебольше.

Врядеслучаевнеобходимапрактическиполнаягазонепро-ницаемость;этоотноситсякемкостямдляхранениягазов,атакже кспециальнымсооружениям,внутреннеепространствокоторыхдолжнобытьзащищеноотпроникновениязараженноговоздуха(например,газоубежища).

Паро-игазопроницаемостьвбольшейстепенизависятотструктурыматериала(плотностиипористости)(табл.5.1).

Таблица 5.1Относительныезначенияпаро-игазопроницаемости

(за1принятапроницаемостькирпича)

Материал	Плот-ность,кг/м3		Порис-тость, %		Относительные значения
					паропрони- цаемости		газопрони- цаемости
Кирпич керамический	1800	31		1		1
Легкийбетон	1800	31		0,8		0,9
Кирпич трепельный	1100	58		2,2		4,2
Известняк	2000	23		0,7		1,2
Бетоннагравии	2200	15		0,25		0,1

Водостойкость–способностьматериаласохранятьвтойилииноймересвоипрочностныесвойстваприувлажнении.

Степеньпониженияпрочностиматериалапринасыщенииводой–количественныйпоказательводостойкости–называетсякоэффициентом размягчения.

Коэффициентразмягчения(К_разм)рассчитываетсякакот-ношениепределапрочностиприсжатииматериалавнасыщен-номводойсостояниикпределупрочностиприсжатиивсухомсостоянии.

К_разм=R_нас/R_сух. (5.12)

Водостойкостьматериаланеобходимоучитывать,когдастроительнаяконструкцияизэтогоматериаладолжнаработатьвовлажныхусловияхилиподвергатьсядействиюводы.

Еслиуматериалаестьоткрытыепорыионнасыщаетсяво-дой,тоегопрочностьприэтомвсегдаснижается.Этопроисхо-дитзасчетрасклинивающегодействияводыичастичногорас-творениясоставляющихматериала,нестабильныхконтактовмеждукристалламиит.д.

Коэффициентразмягчениястроительныхматериаловможетизменятьсяот0 до 1:

• глины К_{разм= 0} (материал размокает),

• гипсовыеизделия К_разм0,6 (засчетрастворимости),

• гранит,бетон,

асбестоцемент ^{Кразм0,8,}

• металлы,стекло,

битум ^{Кразм1.}

Строительныйматериалсчитаетсяводостойким,еслиК_разм0,8(т.е.прочностьпринасыщенииводойснижаетсянеболеечемна20%),такиематериалыможноприменятьвовлажныхусловияхэксплуатациибезспециальныхмерпозащи-те отувлажнения.

Морозостойкостьстроительногоматериала–этоодноизважнейшихфизическихсвойств,отражающееегоотношениексовместномудействиюводыиотрицательныхтемператур.

Подморозостойкостьюматериалапонимаютегоспособ-ностьвнасыщенномводойсостояниивыдерживатьмногократ-ноепопеременноезамораживаниеиоттаиваниебезвидимыхпризнаковразрушенияипонижения прочности.

Разрушениематериалапризамерзаниивегопорахводысвязано:

−сдавлениемрастущихкристалловльда;

−сдавлениемводыпризамерзаниииз-заувеличенияобъ-емапримернона9%(таккакплотностьводы–1г/см³,альда– 0,917 г/см³).

Насыщениематериалаводойвпроцессеэксплуатациимо-жетпроисходить засчет:

−капиллярноговсасывания(приконтактематериаласво-дой –гидросооружения,фундаменты);

−конденсациигигроскопическойвлаги(материалыстено-выхконструкций).

Приполномзаполнениивсехпорикапилляровматериала

водой(неменеечемна85–90%)разрушениеможетнаступитьприоднократномзамораживании.Длястроительныхматериаловвобычныхусловияхтакоговодонасыщенияненаблюдается.

Морозостойкостьматериалаизмеряетсячисломцикловпо-переменногозамораживанияиоттаивания,котороевыдержива-ютобразцыматериала безсущественногоизменения прочности.

ОценкаморозостойкостипроизводитсяпометодикамГОСТ,которыемогутнесколькоразличатьсядляразныхмате-риалов.

1-й метод(ГОСТ10060-87):

Насыщениеобразцовматериалаводой–

24 (72 или

96)часа

Замораживаниенавоздухепри

t=–(18⁺2)°С

неменее4часов

Оттаиваниевводес темпера-турой182°Снеменее

4часов

Предварительная

стадия ^{1 цикл}

Нормируетсяскоростьохлажденияипродолжительностьпребыванияприотрицательнойиположительной температурах.

2. -йметод(длябетонадорожныхиаэродромныхпокрытий)предварительноенасыщениеиоттаиваниепроизводитсяврас-творехлориданатрия (NaCl)концентрацией5%.

3. -йускоренныйметодиспытания–насыщениеиоттаива-ниев5%-номрастворехлориданатрияизамораживаниепритемпературе–50°С.

Косвенныйметодоценкиморозостойкости–насыщениевраствореNa₂SO_4ивысушивание(напряжениязасчеткристал-лизацииNa₂SO₄10H₂Oсувеличениемобъема).

Повторяемостьзамерзанияиоттаиванияприводиткпосте-

пенномурасшатываниюструктурыматериалаиегоразруше-нию.Сначаланачинаютразрушатьсявыступающиеграни,затемповерхностныеслои,ипостепенноразрушениераспространяет-сявглубьматериала,снижаетсяпрочность (рис.5.6).

Рис.5.6.Зависимостьморозостойкостибетонаоткапиллярнойпористости

Маркойпоморозостойкостиназываетсячислоцикловза-мораживанияиоттаиванияпостандартномуметоду,послеко-торого:

• материалсохраняетзаданныйуровеньпрочности^(Кмрз^=Rмрз^/Rнас^):

• неменее95%отисходнойпрочностиприсжатиивводо-

насыщенномсостояниидлятяжелогобетона;

• неменее85%прочностидлябольшинствадругихмате-риалов;

• неменее75 %прочностидлястроительныхрастворов;

• нетзаметныхпризнаковразрушения(шелушения,тре-щин),потеримассы(нормируетсяневсегда,ноеслинормирует-ся,тоm5%).

МаркапоморозостойкостиобозначаетсяF.Например,длябетонамаркипоморозостойкости:F25,35,50,100,150,200,

300,400,500,700,1000.Длякерамическогоисиликатногокир-пича:F15,F25,F35иF50.

Требованиякморозостойкостиматериалазадаютсявпро-ектедляконструкцийвсехсооружений,подвергающихсякли-матическим,атакжетехнологическимвоздействиям,прикото-рыхконструкциимогутоказатьсявсредесотрицательнойтем-пературой(холодильники,производствоихранениесжиженныхгазовит.д.).Впроектахморозостойкостьнормируетсямаркамиморозостойкости,определяемымипо1-муметоду.Приконтро-леморозостойкостидопускаетсяпользованиепереходнымико-эффициентамиот2-гои3-гометодовкморозостойкости,опре-деленнойпо1-муметоду.

Морозостойкостьматериалазависитотегостроения,особенноот:

• величиныпористости:чемменьшеП,тембольшеF,инаоборот,ноэтазависимостьсложная,таккакневсепорыма-

териалазаполняютсяводой(еслиW_vП,значит,вматериалеестьзамкнутые,недоступныедляводыпоры,заполненныевоз-духом,кудаможет«отжиматься»водапризамерзании,разру-

шаяперегородкумеждупорами,–такиепорыназывают«ре-зервными»);

• характерапористости–ссообщающимисяилисизоли-рованнымипорами.Морозостойкостьматериаловсвысокойпо-ристостью,носзамкнутымхарактеромпорможетбытьдоста-точновысокой(пеностекло,ячеистыебетоны–общаяпорис-тостьдо70%,нопреобладаютзамкнутыепорысферическойформы).Утяжелыхбетонов,укоторыхзначениепористостисравнительноневелико,нопорыносяткапиллярныйхарактер,

морозостойкостьрезкоуменьшаетсяпринезначительномуве-личенииотпористости(см. рис.5.6).

• размерапор.Вмикропорахматериаларазмеромменее0,1мкм(10^–7м)обычносодержитсясвязаннаявода,котораянепереходитвледдажеприоченьнизкихтемпературах(до–70°С),поэтомутакиепорынеоказываютзаметноговлия-ниянаморозостойкостьматериала.Морозостойкостьглавнымобразомзависитотобъемамакропорвматериалеиотихстрое-ния.Наиболееопаснымиявляютсясообщающиесямеждусобой

капиллярыдиаметром более200мкм.

Степеньповрежденияматериалапризамораживаниизави-ситотстепениеговодонасыщения,т.е.связанасоструктуройматериалаи сусловиями эксплуатации(табл. 5.2).

Особенностиувлажненияматериалов

Таблица 5.2

Видыконструкций,условияэксплуата-ции	Состояниематериала	Какиепорыматериалазаполненыводой	Какиепоры материалазаполненывоздухом(«резервные»)
Подводные,подзем- ные,наземные– вконтактесводой	Водона- сыщенное	Крупные порыикапил-ляры	Микрокапил- ляры
Надземные–воз- душно-влажные	Гигроскопи- ческиувлаж-ненное	Микрокапилля- ры(засчеткон-денсациипара)	Крупныепоры икапилляры

Степеньводонасыщенияниже,а«резервная»пористостьвышеуматериалов,используемыхдляограждающихконструк-ций.Поэтомутребованиякморозостойкостидлянихсущест-веннониже,чемдляматериалов,постояннонаходящихсявкон-тактесводой.Например,максимальнаямаркапоморозостойко-стикерамическогокирпича–F50,амаркипоморозостойкоститяжелогобетонагидротехническихсооружений,находящегосявзонепеременногоуровняводы,–F300–F500.

Дляповышенияводостойкостистроительныхматериаловмогутиспользоватьсяразличныетехнологическиеприемы,на-пример:

• всоставсырьевойсмесивводитсядополнительныйком-понент,врезультатеизменяетсяфазовыйсоставматериала,по-являютсясоставляющиесменьшейрастворимостью(переходотгипсовыхсмесей кгипсо-цементно-пуццолановым);

• повышениеплотностиструктуры(снижениекапиллярнойпористости),т.е.снижениеводопоглощенияиповышениеводо-стойкости.

Одинизсамыхраспространенныхприемов–снижениесмачиваемостиповерхностипорикапилляровивнешнейпо-верхностиизделий–гидрофобизациястроительныхматериалов.Пригидрофобизацииснижаетсякапиллярноевсасывание,водо-поглощение,сорбционноеувлажнение,такимобразом,увеличи-вается водостойкость.

Объемнаягидрофобизацияосуществляетсяпутемвведениянебольшихколичествдобавоквсырьевыесмесиприизготовле-нииматериалов(илиприиспользованиигидрофобногоцемен-та–длябетонов)–гидрофобизируютсястенкипорикапилля-роввобъемематериала.

Введениедобавокнезначительноусложняеттехнологиюизготовленияизделий:большаячастьизних–водорастворимыежидкостилибоводоразбавляемыеэмульсии.

Поверхностнаяпропиткаповерхностногослоярастворомилиэмульсиейгидрофобизирующейжидкостиобеспечиваетне-смачиваемостьвнешнейповерхностиигидрофобизациюпо-верхностипор икапилляровнаружногослояматериала.

Гидрофобизациянедолжнаухудшатьэксплуатационныесвойстваизделий,напримервоздухо-ипаропроницаемость.

Пропитканаружныхслоевматериалапленкообразующимивеществами(битумами,полимерами)такжеобеспечиваетсни-жениеводопоглощения.

Всеприемы,повышающиеводостойкость,одновременноповышаютиморозостойкость(особенногидрофобизация).

Кромеэтого,эффектнымисравнительнопростымспособомповышения морозостойкостиявляетсяприменениедобавок.

Добавки,создающиевматериалерезервнуюпористость(мелкиезамкнутыесферическиевоздушныепоры),–этовозду-хововлекающиедобавки вбетонныхсмесях.

Добавки,повышающиеплотностьструктуры,могутбыть:

• уменьшающимиобъемкапиллярныхпор(пластифици-рующиедобавкиисуперпластификаторывбетонныхсмесях,снижающиесодержаниеводы);

• заполняющими(кольматирующими)поры(тонкомолотыеминеральныепорошки,уменьшающиесечениекапилляров,снижающиепроницаемостьдляводы).

3. ТеплофизическиесвойстваТеплопроводность–способностьматериалапроводитьче-

резсвоютолщутепловойпоток,возникающийподвлиянием

разноститемпературнаповерхностях,ограничивающихмате-риал.

Рис.5.7.Схемапрохождения тепловогопотокачерезматериал

Q=·F··(t₁–t₂) /a, (5.13)гдеQ–количествотепла, кДж;

• –коэффициенттеплопроводности, Вт/(м·К);F– площадь, через котороепроходиттепло,м²;а –толщинастены,м;

t₁–t_2–разностьтемпературнаповерхностях,°С;

–время,ч.

Теплопроводностьоцениваюткоэффициентомтеплопро-водностиλ,которыйравенколичествутепла,проходящегоче-резстенуизматериалатолщинойв1миплощадью1м^2втече-ние1чприразноститемпературнапротивоположныхповерх-ностяхв1градусЦельсия.

Единицыизмерения– Вт/(м·К).1 Вт/(м ·К)= 1,163 ккал/(м·ч·°С).

Например:

Теплоизоляционныематериалы 0,175;Кирпич керамический 0,8–0,9;

Бетонтяжелый 1,3–1,6;

Гранит 2,9–3,3.

Теплопроводностьявляетсяглавнымсвойствомдлятепло-изоляционныхматериалов,применяемыхдляустройствана-ружныхстенипокрытиязданий.Повеличинеλназначаетсякласс ТИМ.

Величинатеплопроводностизависитотцелогорядафак-торов:

−плотностиипористости;

−составаивнутреннегостроенияматериала;

−влажностиитемпературыматериала.

Влияниеплотностиипористостинатеплопроводностьматериалов.Тепловойпотокпроходитчерезтвердыйкаркасивоздушныеячейкипористогоматериала.Теплопроводностьвоздуха(=0,023Вт/(м·К))меньше,чемтеплопроводностьтвердоговещества,изкоторогосостоиткаркасстроительногоматериала.Такимобразом,чемвышепористостьматериала, темнижееготеплопроводность(рис.5.8).

Теплотачерезвоздушныйслойпередаетсяспомощьютеп-ловогодвижения молекул,конвекциейиизлучением.

Конвективныйтеплообменвозрастаетпомереростаразме-ровпоривоздушныхпрослоек,связывающихэтипоры.

Налучистыйтеплообменрешающеевлияниеоказываеттемператураэксплуатации:чемвышеt, темвыше.

Длятеплоизоляционныхматериаловпредпочтительномел-копористоестроениесзамкнутымипорами,этозатрудняеттеп-лопередачуконвекцией.

Рис5.8.Зависимостьтеплопроводности ТИМот плотности

Влияниесоставаистроенияматериалакаркаса.Чемсложнееибольшепоразмераммолекулывеществакаркаса,темниже.Поэтомуприодномзначениисреднейплотноститеплопроводностьнижеуорганических(высокомолекулярных)материалов,чемунеорганических(низкомолекулярных)(см.рис.5.8).

Укристаллическихвеществтеплопроводностьвыше,чемуматериаловаморфногостроения.

Например:

• кварц(кристаллическоестроение) = 13,6Вт/(м·К);

• песчаник(смешанноестроение) 2–3Вт/(м·К);

• кварцевоестекло 0,7Вт/(м·К).

Уволокнистыхислоистыхматериаловтеплопроводностьзависитотнаправлениятепловогопотока:вдольилипоперекволоконилислоев.

Например,удревесинысосны _–0,35Вт/(м·К);

_–0,17Вт/(м·К).

Влияниевлажностинатеплопроводностьматериалов.Теплопроводностьпористыхматериаловрезковозрастаетприувлажнениииособеннозамерзанииводывпорахматериала,таккак:

_возд.=0,023Вт/(м·К);

_воды.=0,55Вт/(м·К);

_льда.=2,3Вт/(м·К).

Вопределенныхпределахтеплопроводностьповышается

прямопропорциональновозрастаниюобъемной влажности:

_w=_c+W₀,

где_w,_c–теплопроводностьвлажногоисухогоматериала,Вт/(м·К);

W_o– объемнаявлажностьматериала,%;

–приращениетеплопроводностина1%объемнойвлаж-ности;

=0,002Вт/(м·К)длянеорганическихматериаловприпо-ложительнойтемпературе,=0,004Вт/(м·К)приотрица-тельнойтемпературе.

Влияниетемпературныхвоздействийнатеплопровод-ность.Повышениетемпературыприводитклинейномувозрас-таниютеплопроводности.Дляпересчетазначенийтеплопро-водности,полученныхпри0°С,назначенияихпридругихтем-пературахслужит эмпирическаяформула:

_t=_o(1+t), (5.14)

где_t,_o–теплопроводностьматериалапритемпературеtи0°С,Вт/(м ·К);

–коэффициент,показывающийприращениетеплопро-водностина1°Сповышениятемпературы(длянеорганиче-скихматериалов=0,002приположительнойтемпературеи=0,004приотрицательной;дляорганическихматериа-ловсоответственно0,003 и0,004).

Теплопроводностьопределяютфизическимметодомспо-мощьюточнойаппаратурысогласноГОСТ7076-78«Методоп-ределениятеплопроводности»,графическимметодомипоэм-пирическим формулам(формулаВ.П.Некрасова).

Теплопроводностьматериаловучитываетсявтеплотехни-ческихрасчетахограждающихконструкций,толщинытепловойизоляции горячихповерхностейихолодильников.

Термическоесопротивление[(м²·К)/Вт]слояматериалаза-

виситотитолщиныслоя:

R=/, (5.15)

где–толщинаслояматериала,м;

• –теплопроводностьматериала,Вт/(м ·К).

ТребованияктермическомусопротивлениюограждающихконструкцийвсоответствиисизменениямиСНиПII-3-79*

«Строительнаятеплотехника»с1995г.по2000г.возрослибо-леечемв3раза.Этосвязаноснеобходимостьюэнергосбереже-ниявжилищномхозяйствеидругихотраслях.Поэтомунеобы-чайноувеличилосьзначениетеплоизоляционныхматериалов.

Теплоемкость–способностьматериаловпоглощать(акку-мулировать)теплотупринагревании.Теплоемкостьоценивает-сявеличинойудельнойтеплоемкостиС,котораяравняетсяко-личествутепла,необходимомудлянагревания1кгматериалана 1°С.

С= Q/m(t_2–t₁), (5.16)

гдеС–удельнаятеплоемкость,Дж/(кг·К) илиДж/(кг·°С);Q–количествотепла, Дж, кДж;

m– массаматериала,кг;

t₂–t₁–разностьтемператур,Кили°С.

Удельнаятеплоемкостьматериалазависитотегоприродыи,внезначительнойстепени,отпористости.Органическиема-териалыимеютзначительнобольшуюС,чемминеральные:

• древесина,древесноволокнистыеплиты –2,4–2,7;

• битумынефтяные,асфальтобетон,рубероид –1,68;

• линолеумполивинилхлоридный –1,47;

• бетоны,растворы,каменные материалы,минвата –0,75–0,9;

• металлыи стекло –0,48;

• вода(теплоноситель) –4,2.

Чембольшетеплоемкостьматериала,тембольшетеплаонаккумулируетприповышениитемпературыокружающейсреды(дольшенагревается)итембольшевыделяетсятеплотыприснижениитемпературыокружающейсреды,темсамымпод-держиваетсятемпературныйрежимвпомещении.Вдеревянныхдомах теплозимойипрохладнолетом.

Показателитеплоемкостиразныхматериаловнужныдлярасчетатеплоустойчивостиограждающихконструкций,режимапрогреваматериаловпризимнихработах,прирасчетепечныхагрегатов.

Температурныедеформации–изменениялинейныхразме-ровилиобъемаматериалаприизмененииеготемпературы.

Обычноприповышениитемпературыразмерыиобъемувеличиваются,приснижениитемпературыразмерыиобъем,соответственно,уменьшаются.

l_{t= l0(1+}_tt), (5.17)

гдеl_t, l_0–длинаобразцаизданногоматериалапритемпературеtи 0°С;

t–температура,°С;

_t–коэффициентлинейноготемпературногорасширения,

°С^–1,характеризующийспособностьматериалактемпера-

турнымдеформациям–изменениедлиныприувеличениитемпературына 1°С,например:

– бетони сталь (10–12)10^–6;

–гранит (8–10)10^–6;

–древесина (3–5)10^–6;

–полимеры (25–120)10^–6.

Присезонномперепадетемпературокружающейсредыиматериалана50°Сотносительнаятемпературнаядеформациядостигает0,5–1мм/м.Воизбежаниерастрескиваниясооруже-ниябольшойпротяженностиразрезаютдеформационнымишвами.

Присозданиикомпозиционныхматериаловнеобходимо,чтобы_{tсоставляющих}былиблизки(железобетон,пластмас-сы).Коэффициенттемпературногорасширениянеобходимоучитыватьдля защитно-отделочных,облицовочныхматериа-лов.

Термостойкость–способностьматериалавыдерживатьчередование(циклы)резкихтепловыхизмененийбезразруше-ния.

Термостойкостьоцениваютзначениемтемпературы,принагреваниидокоторойипоследующемрезкомохлаждениима-териал нерастрескивается.

Термостойкостьматериалазависитотстепениегоодно-родностииотспособностикаждогокомпонентактепловымрасширениям(различиякоэффициентовтемпературногорасши-рения).

Чемменьше_tивышеоднородность,темвышетермостой-кость,т.е.тембольшийперепадтемпературибольшееколиче-ствоцикловспособенвыдержатьматериал.

Например,кварц(минералкристаллическогостроения)ме-неетермостоек,чемкварцевоестекло,из-заразличия_t.

Недостаточнаятермостойкостьматериаламожетслужить

причинойегоразрушенияпритушениипожаров(стекло, бетон).

Гранитнетермостоек,посколькувегосоставесодержитсяминералкварц,укотороговысокий_t,ипринагревании(575°Сиболее)происходятполиморфныепревращениясизменениемобъема.Нанедостаточнойтермостойкостигранитаоснованспособдобычикрупныхблоковгазопламеннойструей.

Огнестойкость–способностьматериаловпротивостоятьдействиюогняприпожаревтечениеопределенноговременибезсущественногосниженияпрочностиизначительныхдефор-маций.

Всематериалыпостепенипожарнойопасностиделятсяна:

• несгораемые;

• трудносгораемые(зависитотхимическогосостава);

• сгораемые.

Несгораемыематериалы–этонеорганическиематериалы:природныекаменныематериалы,бетонидругиематериалынаминеральныхвяжущих,кирпичкерамический,сталь,минераль-наяватаи др.

Трудносгораемыематериалы–подвоздействиемогняиливысокойтемпературывоспламеняютсяструдом,тлеютиобуг-

ливаются,нопослепрекращениядействияогняихгорениеитлениепрекращается.

Ктрудносгораемым материаламотносятся:

• органоминеральныематериалы–асфальтобетон,цемент-но-стружечныеплиты,фибролит;

• пластмассынаспециальныхполимерах–поливинилхло-рид,перхлорвинил,кремнийорганическиеполимеры,политет-рафторэтилен(тефлон);

• древесина,обработаннаяантипиренами.

Сгораемыематериалы–органическиематериалы,которыеподвоздействиемогняивысокойтемпературывоспламеняютсяилитлеютипродолжаютгоретьитлетьпослеудаленияисточ-никаогня:древесина,битум,большинствополимеров.

Сгораемыематериалынеобходимозащищатьотвозгора-ния.Широкоиспользуютсяконструктивныемеры,исключаю-щиенепосредственноевоздействиеогнянаматериалвусловияхпожара.Применяетсяпропитказащитнымивеществами–анти-пиренами.

Невсенесгораемыематериалыможносчитатьогнестойки-ми.Некоторыенесгораемыематериалыприпожарерастрески-ваются(гранит,кудавходитминералкварц,которыйпритем-пературе575°Сувеличиваетсявобъеме)илисильнодеформи-руются(металлы,стекло)притемпературе,начинаяс600°С.Конструкцииизподобныхматериаловнередкоприходитсяза-щищать болееогнестойкимиматериалами.

Огнестойкость–важноесвойствовсехстроительныхмате-риалов.

Пределогнестойкости–продолжительностьсопротивлениявоздействиюогнядопотеринесущейспособностиилипрочно-сти:

• металлическиеконструкции– 0,5ч;

• железобетон–1–2ч;

• бетон–2–5ч.

Огнеупорность–способностьматериалавыдерживатьдли-тельныевоздействиявысокихтемпературбезразрушенияиде-формаций(безплавления).

−	легкоплавкие–	< 1350°С;
−	тугоплавкие–	1350–1580°С;
−	огнеупорные–	1580–2000°С;
−	высшейогнеупорности–	> 2000°С.

Строительныематериалыпоогнеупорностивзависимостиоттемпературыплавленияподразделяютсяна:

Огнеупорностьзависитотхимическогосоставаматериалов(Fe₂O₃,Na₂O–снижаютогнеупорность,Al₂O₃,SiO_2–повышаютогнеупорность).

Огнеупорностьоцениваетсядляспециальныхматериалов,эксплуатируемыхпривысокихтемпературах:конструкциитеп-ловыхагрегатов,дымовыхтруб,материалыдлявнутреннейфу-теровкипромышленныхпечей.

Кромеэтого,огнеупорностьоцениваютдлясырьевыхмате-риаловвобжиговыхтехнологияхпроизводствастроительныхматериалов(дляназначениятемпературыобжига,плавления).Например,различаютлегкоплавкие,тугоплавкиеиогнеупорныеглины.

Легкоплавкиеглины–сырьедлякерамическогокирпича,облицовочныхплиток.

Тугоплавкиеглины–плиткадляпола(метлахская),клин-керныйкирпич.

мот.

Огнеупорныеглины–санитарно-техническиеизделия,ша-