ческим процессам. К основным физическим свойствам относятся: плот­ность, пористость, водопоглощение, влажность, гигроскопичность, водо­стойкость, водонепроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, те­плоемкость, огнестойкость, огнеупорность, паро- и газопроницаемость, звукопроницаемость.

Физико-химические свойства характеризуют влияние физического состояния материапа на протекание определенных процессов.

Химические свойства определяют особенности данного материала к химическим реакциям или его способность противостоять химическому воздействию веществ, с которыми он вступает во взаимодействие.

Механические свойства характеризуют способность материалов со­противляться разрушению и деформированию под действием внешних сил.

Технологические свойства характеризую! способность материала к восприятию некоторых технологических операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих нужную форму и раз­меры (дробимость, распиливаемость, гвоздимость, шлифуемостьит.п.).

3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов

Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется истинной и средней плотностью и пористостью.

Истинная плотность материала, г/см³, кг/м' - масса единицы объ­ема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор)

где т - масса материала г, кг;

У_Л - объем материала в абсолютно плотном состоянии, см\ м³

V - V - V

а II >

где V- объем материала в естественном состоянии;

У_П~ объем заключающихся в нем пор.

Для определения истинной плотности пористого материала необхо­димо его измельчить до частиц, размер которых был бы меньше размера

6

пор, присущих данному веществу. Суммарный объем таких частиц равен объему материала в "абсолютно" плотном состоянии.

Методика определения истинной плотности материала Измельчен- ный материал просеивают через сито № 02, размер отверстий которого ра- вен 200 мкм, высушивают при / ~ 110+5 °С до постоянной массы и охлаж- дают до комнатной температуры в эксикаторе над серной кислотой или над безводным хлористым кальцием. От подготовленного порошка берут на- веску 60-70 г, которую взвешивают с точностью до 0,01 г.

Для определения суммарного объема частиц порошка применяют мерную колбу Ле-Шателье-Кандло, представляющую собой стеклянный сосуд емкостью 120-150 см³ с узким длинным горлышком, расширяющим- ся в средней части. Выше верхней черты нанесены деления, одно деление соответствует 0,1 см' объема. Прибор наполняют до нижней черты жидко- стью, инертной по отношению к испытуемым материалам (чаще всего ке- росином). Затем колбу помешают в стеклянный сосуд с водой, имеющей температуру 20 °С (температура, при которой градуировалась его шкала) (рис. 3.1). Отвешенную порцию порошка постепенно всыпают в колбу.

Разность между конечным и начальным уровнями жидкости в приборе показы- вает объем порошка, всыпанного в при- бор. Остаток порошка взвешивают.

Масса порошка, всыпанного в прибор, будет равна разности между результата- ми первого и второго взвешивания.

Истинную плотность материала р определяют по формуле

(3.2)

где т - навеска материала до опыта, г;

т1 - остаток от навески, г; Рис. 3.1 Прибор для определения истенной

V - объем жидкости, вытесненной плотности материалов

/ - колба Ле-Шателье-Кандло; 2 - со-

навескои материала, см .

суд с водой, 3 - штатив,4 - термометр

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 0,01 г/см ' как среднее арифметическое двух определений, расхождение между кото­рыми не должно превышать 0,02 г/см '.

7

Результаты определения истинной плотности материала записывают в журнал для лабораторных работ и сравнивают с данными, приведенными в 11риложении.

Средняя плотность, г/см³, кг/м³ - масса единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами)

где т - масса образца материала в естественном состоянии, г;

V_с - объем образца в естественном состоянии, см\

Значения средней плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:

где - количество воды в материале, доли от его массы.

Большая часть строительных материалов имеет поры. Чем их больше в единице объема материала, тем меньше его средняя плотность. Для жид­костей и материалов, получаемых из расплавленных масс (стекло, металл), средняя плотность по значению практически равна истинной плотности (см. Прил ). От средней плотности материала в значительной мере зави­сят его физико-механические свойства, например прочность и теплопро­водность. Значение средней плотности материала используют при опреде­лении его пористости, массы и размера строительных конструкций и т.д.

При нахождении средней плотности материала можно использовать образцы как правильной, так и неправильной геометрической формы. От формы образца зависит метод определения плотности. Для образца непра­вильной геометрической формы сложно найти его объем При его опреде­лении применяют метод, основанный на вытеснении образцом из сосуда жидкости, в которую его погружают, для чего используют гидростатиче­ские весы (так называемые весы Архимеда) (рис. 3.2).

Определение средней плотности материала образца методом гидро­статического взвешивания. Сухой образец взвешивают на технических ве­сах, затем помешают его в воду до полного насыщения. Насыщенный во­дой образец взвешивают на воздухе и в воде на гидростатических весах. Для этого его подвешивают на тонкой нити к крючку приспособления, за­крепленного на левом конце коромысла гидростатических весов. Массу образца уравновешивают гирями, устанавливая их на правую чашу. После

(3.3)

(3.4)

этого образец погружают в емкость с водой так, чтобы он не касался сте­нок и дна (при этом равновесие весов нарушается). Весы снова уравнове­шиваю! и определяют массу образца в воде

Среднюю плотность образца вычисляют по формуле

т

Р„ = . (3-5)

-

где т - масса сухого образна, г;

- масса образца после насыщения водой, г;

- масса образца после насыщения водой на гидростатических весах, г.

Разность - соответствует объему испытуемого образца

Среднюю плотность материала находят как среднее арифметическое определения ее значений по трем-пяти образцам. Результаты испытаний сравнивают с данными, приведенными в прил. 1.

Насыпная плотность г/ кг/м³ - отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для зернистных или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированного шлака и т.п.). В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпном объеме материала.

Сухой материал насыпают с высоты 10 см в предварительно взве­шенный мерный сосуд известного объема Затем, не сдвигая сосуда, ли­нейкой срезают конус, сосуд с материалом взвешивают.

9

Насыпная плотность определяется по формуле

где т - масса мерного сосуда, г;

- масса мерного сосуда с материалом., г;

V - объем мерного сосуда, см³.

При транспортировке и хранении сыпучие материалы уплотняются, при этом значение их насыпной плотности оказывается на 15-30% выше, чем в рыхлонасыпном состоянии.

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их размерам.

Пористость П - степень заполнения объема материала порами.

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за единицу, или в процентах от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости осно­ван на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости. Здесь используются найденные опытным путем значения истинной и средней плотности высушенного материала, входящие в формулу для вычисления пористости:

где П - пористость материала, %;

- средняя плотность, г/см

³, кг/м³;

- истинная плотность, г/см³, кг/м³.

Пористость строительных материалов колеблется в широких преде­лах - от 0 до 98%.

Отношение называют коэффициентом плотности , или сте­пенью

заполнения объема материала твердым веществом.

Открытая пористость П₀ равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V:

(3.7)

(3.8)

10

где - масса обрата соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.

Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение ма­териала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористости равна:

= П-П₀. (3.10)

Увеличение закрытой пористости материала за счет открытой повы­шает его долговечность и уменьшает его теплопроводность. Однако, на­пример, в звукопоглощающих материалах открытая пористость необходи­ма для поглощения звуковой энергии.

Распределение пор по размерам характеризуется интегральной кри­вой распределения пор по их радиусам в единице объема материала и дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, рав­номерности распределения пор по объему материала, их структуры - со­общающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материа­лов: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др.

3.2. Свойства, определяющие отношение материалов к различ­ным физическим процессам

Среди физических процессов наибольшее значение имеют воздейст­вия водной среды, тепловые воздействия, распространения звуковых волн, электротока, ядерных излучений и т.д.

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого ма­териала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Поглоще­ние влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым.

Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые мате­риалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высо­кой сорбционной способностью.

(3.9)

11

С повышением давления водяного пара (т е. с увеличением относи­тельной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорб­ционная влажность данного материала.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Высоту И поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюре- на:

h = (3.11)

где - поверхностное натяжение;

- краевой угол смачивания,

- радиус капилляра;

- плотность жидкости;

- ускорение свободного падения

Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому формула 3.11 годна лишь для качественного рассмотрения явления.

Объем воды, поглощенной материалом путем капиллярного всасы­вания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону

² = К·t (3.12)

где К - константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания, т.е. значения К, отражает улучшение структуры материала и повышение его морозостойкости.

Водопоглощением называется свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном соприкосновении с ней.

Водопоглощение строительных материалов определяют следующим образом: образцы высушивают до постоянной массы (т_с) при температуре 110±5 °С и охлаждают до комнатной температуры, после чего погружают в воду с ( = 20±2 °С и выдерживают там до постоянной массы ( )

Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость. При извлечении об­разца из воды она частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости.

Водопоглощение определяют по объему и по массе. Водопоглоще­ние по объему W₀, %, (степень заполнения объема материала водой) вы­числяется по формуле:

12

100

(3 13)

Водопоглощение по массе %, определяют по отношению к массе сухого материала:

где и - масса материала соответственно в сухом и насыщенном во­дой состоянии.

Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может пре­вышать пористость

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, при­влекая для этого коэффициент насыщения пор водой К„, равный отноше­нию водопоглощения по объему к пористости:

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в мате­риале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда = П.

Уменьшение (при тон же пористости) свидетельствует о сокра­щении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении моро­зостойкости.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свой­ства, например, увеличивается плотность и теплопроводность, понижается прочность и морозостойкость.

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пре­делах: гранита - 0,02 ... 0,7%, тяжелого бетона - 2 ... 4%, кирпича - 8 ... 15% пористых теплоизоляционных материалов - 100% и больше.

Коэффициент размягчения К_р характеризует водостойкость материа­ла. Он определяется как отношение прочности материала, насыщенного водой МПа, к прочности сухого материала /?_с, МПа:

Его величина может изменяться от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы, фарфор, стекло и др.).

Природные и искусственные каменные материалы не применяют для изготовления строительных конструкций, находящихся в воде, если их ко­эффициент размягчения меньше 0,8.

(3.14)

С

(3.16)

13

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее п течение 1 с через 1 м" поверхности материала при заданном давлении воды. Методика определения водопроницаемости зависит от раз­новидности материала и его назначения. Водопроницаемость зависит от плотности и строения материала Чем больше в материале пор и чем они крупнее, тем больше его водопроницаемость.

Водопроницаемость можно характеризовать коэффициентом фильт­рации Кф, м/ч:

^Кф = /[S( t] (^31?)

численно равен количеству воды,

прошедшей через стенку площадью S= 1 м^:, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидро­статического давления на границах стенки = 1мм вод.ст Коэффи­циент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (например, бетона) характеризу­ется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепрони­цаемости имеется определенное соотношение: чем ниже Кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

Влагоотдача - свойство, характеризующее скорость высыхания ма­териала при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха).

Влагоотдача обычно характеризуется количеством воды, которое ма­териал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60% и темпе­ратуре 20 °С.

Влажностные деформации - изменение размеров и объема мате­риала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема мате­риала при его высыхании называют усадкой (усушкой). Она вызывается уменьшением толщины слоя воды, окружающего частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений. Различают линейную и объемную усадку.

Высокопористые материалы, способные поглощать много воды, ха­рактеризуются большой усадкой (табл. 3.1).

Набухание происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их

14

Вид материала	Усадка, мм/м
Древесина (поперек волокон)	30-100
Ячеистый бетон	1-3
Строительный раствор	0,5-1,0
Кирпич керамический	0,03-0,1
Тяжелый бетон	0,3-0,7
Гранит	0,02-0,06

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформа- циями усадки и набухания Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подоб- ных условиях находятся, например, бетон в дорожных покрытиях, наруж- ных частях гидротехнических сооружений, деревянные конструкции и т.д.

Деформации усадки или набухания можно измерять рядом различ- ных по конструкции приборов.

Чаще всего ведут определение усадки и набухания с помощью инди- катора часового типа на образцах в виде призм (рис. 3.3).

Обычно индикаторы такого типа имеют две шкалы. На одной из них (малой) нанесены деления, соответст- вующие целым миллиметрам, на боль- шой - деления ценой 0,01 или 0,001 мм.

Полный оборот стрелки на большой шкале соответствует одному делению малой шкалы. Для обеспечения точно- сти показаний индикатора в торцевые грани образцов заделывают реперы (чаще всего металлические пластины или стержни с отверстием). Образцы ус- танавливают вертикально так, чтобы один из реперов вошел в фиксатор пли-

ты прибора, центрируют, приводят дру- Рис. 3.3. Схема установки для определения гой репер в соприкосновение с ножкой деформаций образцов: 1-стойка,

индикатора, затем образец поворачивают 2- кронштейн, 3 - фикса­тор, 4 – нижняя опо-

несколько раз вокруг оси и снимают

ра, 5-индекатор

6 - образец, 7 - репер

начальный отсчет по индикатору в мил­лиметрах. После этого прибор вместе с

образцом помешают в среду с определенными параметрами: чаще всего, как это предусмотрено стандартами ряда стран, при определении усадки

15

образцы хранят при относительной влажности воздуха 50±5%, а при опре­делении деформации набухания - при влажности 99% или в воде.

Относительные линейные деформации, мм/м, образцов за определен­ный период времени подсчитывают по формуле

(3 1*)

где

- деформации образца;

- первоначальный отсчет, мм, сделанный в начале испытания образ­ца;

- - отсчет, мм. осуществленный при последующих измерениях образ­ца;

l - первоначальная длина образца, м.

По результатам определения строят графические зависимости.

Паропроницаемость и газопроницаемость - способность материа­ла пропускать через свою толщину водяной пар или газы (воздух). Паро- проницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, чис­ленно равным количеству водяного пара, проникающего через слой тол­щиной 1 м, площадью 1 м² в течение 1 с с разностью парциальных давле­ний пара в 133,3 Па Аналогичным коэффициентом оценивается и газопро­ницаемость. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазеля и Кнудсена. Ис­пользование закона Дарси-Пуазеля при небольших перепадах давления приводит к упрощенной формуле для определения массы газа

(плотностью р), прошедшего через стенку площадью 5, толщиной а, за время t при разности давлений на гранях стенки

V_р = Р/а (3.19)

Отсюда коэффициент газопроницаемости, г/м·ч·Па.

= аУ_р/St . (3.20)

Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от струкгуры материала (табл. 3.2)

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала вы­держивать попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. Морозостойкость численно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости (Р). За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попере­менного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы ма-

16

Вид материала	Средняя плотность., кг/м'	Порис­тость, %	Относительные значения
			паронроницае- мости	газопроницае­ мости
Кирпич керамический	1800	31	1	I
Легкий бетон	1800	31	0,8	0,9
Кирпич трепельный	1100	58	2,2	4,2
Известняк	2000	23	0,7	1,2
Бетон на гравии	2200	15	0,25	1

Испытания на морозостойкость материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т.п.). Перед испытанием образцы насыщают водой, после этого их заморажива­ют в камере при температуре -15 .-20 °С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из морозильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15 20 °С Легкие бетоны, кирпич, керамические камни имеют морозостойкость 15.. 35, бетоны 50 ... 1000 циклов.

Ускоренные испытания на морозостойкость, например бетона, про­водят замораживанием образцов при температуре -50 °С или заморажива­нием в 5%-ном растворе хлорида натрия при аналогичной температуре.

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых при устройстве наружных стен и покрытий зданий. Тепло­проводность воздуха = 0,023 Вт / (м • °С) значительно меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит "каркас" строительного материала, поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности (рис. 3.4).

Показателем теплопроводности материала служит коэффициент теп­лопроводности λ Вт / (м • °С), который зависит от его пористости

λ = 1,16 - 0,14 (3.21)

где d - относительная плотность материала.

17

Влага, попадающая и поры материала, увеличивает его теплопро­водность ( = 0,58 Вт / (м ), = 2,3 Вт / (м ).

Рис. 3.4. Влияние плотности материала на теплопроводность:

/ - сухие материалы: 2 и 3 - воздушно-сухие с разной влажностью: 4 - волонасыщснныс материалы

Тсплоемкость - свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Она характеризуется коэффициентом теплоемкости. С, кДж/(кг°С):

С =Q[m( ], (3.22)

где Q- количество теплоты, затраченной на нагревание материала от

m- масса материала.

Теплоемкость материала необходимо учитывать при теплотехниче­ских расчетах ограждающих конструкций, при проведении зимних бетон­ных и каменных работ, проектировании печей.

Теплоемкость древесины, неорганических строительных материалов и воды соответственно составляет 0,7; 0,75...0,92; 1 кДж/(кт °С).

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воз­действие высокой температуры (1580 и выше), не размягчаясь и не де­формируясь.

18