5)Физические свойства: параметры состояния и структурные характеристики материалов; гидро- и теплофизические свойства.

Физические свойства

Масса - совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т. е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие плотности, последняя подразделяется на истинную и среднюю.

Истинная плотность - отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т. с. без пор и пустот. Чтобы определить истинную плотность р (кг/м3, г/см3), необходимо массу материала (образца) т (кг, г) разделить на абсолютный объем Va (м3,см3)» занимаемый самим материалом (без пор):

Зачастую истинную плотн. матер. относят к истинной плотн. воды при 4° С, которая равна 1 г/см3, тогда определяемая истинная плотн. становится как бы безразмерной величин.

Средняя плотность - физическая величина, определяемая отношением массы образца материала ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность m(кг/м3, г/см3) вычисляют по формуле:

где m--масса материала в естественном состоянии, кг или г; V- объем материала в естественном состоянии, м3 или см3.

Средняя плотность не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от пористости материала. Искусственные материалы можно получать с необходимой средней плотностью, например, меняя пористость, получают бетон тяжелый со средней плотностью 1800-- 2500 кг/м3 или легкий со средней плотностью 500-- 1800 кг/м3.

На величину средней плотности влияет влажность материала: чем выше влажность, тем больше средняя плотность. Среднюю плотность материалов необходимо знать для расчета их пористости, теплопроводности, теплоемкости, прочности конструкций (с учетом собственной массы) и подсчета стоимости перевозок материалов.

Насыпная плотность р_н — масса единицы объема рыхло на­сыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т.п.). Например, истинная плотность известняка — 2700 кг/м³, его плотность 2500 кг/м³, а насыпная плотность известнякового щебня — 1300 кг/м³. По этим данным можно вычислить порист. известняка и пустотность щебня, пользуясь приведенн. ниже формулами.

Пористостью материала называют степень заполнения его объема порами. Пористость П дополняет плотность до 1 или до 100 % и определяется по формулам:

Пористость различных строительных материалов колеблется в значительных пределах и составляет для кирпича 25-35 %, тяжелого бетона 5-10%, газобетона 55- 85%, пенопласта 95 %, пористость стекла и металла равна нулю. Большое влияние на свойства материала оказывает не только величина пористости, но и размер, и характер пор: мелкие (до 0,1 мм) или крупные (от 0,1 до 2мм), замкнутые или сообщающиеся. Мелкие замкнутые поры, равномерно распределенные по всему объему материала, придают материалу теплоизоляционные свойства.

Структурные характеристики.

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

1. П =V_n/V.

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.

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

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) вы­сушенного материала:

1. П=(1-р_т / р)*100. (1.4)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% (см. табл. 1.1).

Коэффициент плотности — степень заполнения объема материала твердым веществом:

Кпл=рт/р. (1.5)

В сумме П + К_пл= 1 (или 100%), т.е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающе­го прочность, и воздушных пор.

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

П0= (m2 – m1) / V * 1 / pH2O

где m₁ и m₂ — масса образца соответственно в сухом и насыщен­ном водой состоянии.

Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницае­мость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористость П3 равна:

П₃ = П - П_0.

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создаются открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

В современных поромерах измерение пористости автоматизиро­вано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графиче­ской формах.

Плотность и пористость в значительной степени определяют такие свойства материалов, как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Водопоглощение - способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и абсолютно сухом состояниях. Различают объемное водопоглощение Wv, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение Wm, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает среднюю плотность и теплопроводность, понижает прочность.

Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении, т. е. состоянии полного насыщения материала водой, называется водостойкостью и характеризуется значением коэффициента размягчения.

Влажность материала определяется содержанием влаги, отнесенным к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала зависит как от свойств самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой).

Влагоотдача - свойство материала отдавать влагу окружающему воздуху, характеризуемое количеством воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20'С.

Величина влагоотдачи имеет большое значение для многих материалов и изделий, например стеновых панелей и блоков, мокрой штукатурки стен, которые в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря влагоотдаче высыхают: вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

Гигроскопичностью называют свойство пористых материалов поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Древесина и некоторые теплоизоляционные материалы вследствие гигроскопичности могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. В таких случаях для деревянных и ряда других конструкций приходится применять защитные покрытия.

Водопроницаемость - свойство материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см2 площади испытуемого материала при постоянном давлении. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Замерзание воды, заполняющей поры материала, сопровождается увеличением ее объема примерно на 9%. в результате чего возникает давление на стенки пор, приводящее к разрушению материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Паро- и газопроницаемость - свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость материала характеризуется соответственно коэффициентом паро- или газопроницаемости, который определяется количеством пара или газа в л, проходящего через слой материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Па.

Знать теплопроводность материала необходимо при теплотехническом расчете толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей, например трубопроводов, заводских печей и т. д.

Теплоемкость -свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении,

Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 °С. Удельная теплоемкость, кДж (кг -°С), искусственных каменных материалов 0,75--0,92, древесины -- 2,4--2,7, стали -- 0,48, воды--4.187.

Теплоемкость материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева составляющих бетона и раствора для зимних работ, а также при расчете печей.

Огнестойкость - сбность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные материалы делят на несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К этим материалам относят природные каменные материалы, кирпич, бетон, сталь. Трудно сгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются. Примером таких материалов могут служить древесно-цементный материал фибролит и асфальтовый бетон. Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. К этим материалам в первую очередь следует отнести дерево, войлок, толь и рубероид,

Огнеупорностью называют свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

Огнеупорные материалы способны выдерживать продолжительное воздействие температуры свыше 1580°С. Их применяют для внутренней облицовки промышленных печей (шамотный кирпич). Тугоплавкие материалы выдерживают температуру от 1350 до 1580°С (гжельский кирпич для кладки печей). Легкоплавкие материалы размягчаются при температуре ниже 1350 °С (обыкновенный глиняный кирпич).

Теплопроводность - свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопроводность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытуемого материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур противоположных поверхностей стены 1 °С. Теплопроводность измеряется в Вт/(мК) или Вт/(м°С).

Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависит от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например, теплопроводность древесины вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон.

На теплопроводность материала в значительной мере влияют величина пористости, размер и характер пор. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот. Теплопроводность в воздушно-сухом состоянии тяжелого бетона 1,3--1,6, керамического кирпича 0,8--0,9, минеральной ваты 0,06--0,09 Вт/(мС).

Гидрофизические свойства

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного 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.

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

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20±2 °С. Водопогло­щение, определяемое погружением образцов материала в воду, ха­рактеризует в основном открытую пористость, так как вода не про­никает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ван­ны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглоще­ние обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бе­тона может быть 50-60%, его водопоглощение составляет 20-30% объема.

Водопоглощение определяют по объему и массе.

В одопоглощение по объему W0 (%) — степень заполнения объе­ма материала водой:

(1.9)

где тв — масса образца материала, насыщенного водой (г), тс — масса образца в сухом состоянии (г).

Водопоглощение по массе Wm (%) определяют по отношению к массе сухого материала:

(1.10)

Разделив почленно WQ на Wm , получим:

1. 

2. (1.11)

причем объемная масса сухого материала выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина).

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. 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 этой цели коэффициент насыщения пор водой, рав­ный отношению водопоглощения по объему к пористости:

К_н =Wо/П. (1.12)

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в мате­риале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W0 =П. Уменьшение Кн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства ма­териала, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопро­водность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Коэффициент размягчения Кр — отношение прочности мате­риала, насыщенного водой RB, к прочности сухого материала Rc:

Kp=RB/Rc. (1.13)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость мате­риала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не приме­няют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать во­ду под давлением.

Коэффициент фильтрации Кф (м/ч) характеризует водопрони­цаемость материала:

(1.14)

где Кф=Vв — количество воды (м³), проходящей через стенку

площадью S = 1 м³, толщиной а = 1 м за время t = 1ч при разности гидростатического давления на границах стенки рх - р2 = 1 м вод. ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется мар­кой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором бетонный 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.

Водопроницаемость не допускают при строительстве гидро­технических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов зданий. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхно­стей ограждения разности давления газа происходит его перемеще­ние через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновремен­но вязкостным и молекулярным потоками.

Использование закона Дарси-Пуазейля при небольших пере­падах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности газа, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа Vр (плотностью р), прошедшего через стенку площадью S и тол­щиной а за время t при разности давлений на гранях стенки Ар:

Vр = KrStΔp/ а . (1.15)

Отсюда можно определить коэффициент газопроницаемости (г/м^-ч'Па):

Kr=aVp/StΔp. (1.16)

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводит к нормальным условиям.

Стеновой материал должен обладать определенной прони­цаемостью. Тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондициониро­вание воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т.п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необхо­димо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара. В зимнее время внутри теплых помещений (текстильных фаб­рик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т.п.) в 1 м³ воздуха содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Создаются условия, способст­вующие быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конструкции при действии мороза.

Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

В ряде случаев необходима практически полная газонепрони­цаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (на­пример, газоубежища).

Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от струк­туры материала (плотности и пористости) (табл. 1.2).

Влажностные деформации. Пористые неорганические и орга­нические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влаж­ности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних ка­пиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклини­вают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные цикличе­ские воздействия нередко вызывают трещины, ускоряющие разру­шение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрыти­ях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц мате­риала и практически не вызывает объемных изменений.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), спо­собные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозо­стойкость материала количественно оценивается циклами и соответ­ственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозо­стойкости принимают наибольшее число циклов попеременного за­мораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материа­ла без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений-трещин, выкраши­вания (потери массы — не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвер­гающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с уче­том вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Кли­матические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замо­раживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений.

Рис. 1.6. Распределение температуры в наружной стене здания (а) и заполнение поры водой (б), выделенной вблизи фасадной грани:

1 — адсорбированная вода; 2 — устье по­ры; 3 — дождевая вода; 4 — конденсат

Теплофизические свойства

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 для устройства наружных стен и по­крытий зданий.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздуш­ные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха Л-0,023 Вт/(м °С) меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит “каркас” строительного материала. Поэтому увеличение по­ристости материала является основным способом уменьшения тепло­проводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые по­ры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвенцией и из­лучением.

На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала (рис. 1.8). Известна формула В.П. Некрасова, связываю­щая теплопроводность Л [Вт/(м °С)] с относительной плотностью каменного материала d:

(1.17) О 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500