2. Строительно-технические и технологические свойства материалов и их взаимная связь, современные методы их оценки.

Строительно-технические свойства материалов

Пористость – содержание в веществе пор, ячеек, пустот (%). Различают низкопористые (менее 30%), среднепористые (от 30% до 50%) и высокопористые (более 50%) материалы. Характер пористости бывает закрытым, открытым, сообщающимся; поры могут быть мелкие, крупные. Величины пористости: пенопласты – 96%, древесина – 65%, бетон легкий – 60%, кирпич керамический – 35%, бетон тяжелый – 10%, гранит – 1%, сталь – 0%.

Истинная плотность, ρ (г/см³, кг/м³) – отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор и пустот ρ = m / v. Средняя плотность ρср. (г/см³, кг/м³) – отношение массы материала к его объему в естественном состоянии вместе с возможными порами и пустотами. Различают тяжелые (более 2000 кг/м³) и легкие материалы (менее 1000 кг/м³). Величины средней плотности (кг/м³): пенопласт – 50, древесина – 575, бетон легкий – 1200, кирпич керамический – 1900, природный камень – 2500, бетон тяжелый – 2200, сталь – 7860. Плотность влияет на долговечность материала.

Свойства при действии влаги, воды, замораживания-оттаивания:

Влажность – содержание влаги в материале, отнесенное к массе материала в сухом состоянии, измеряемое в процентах. Высокой считается влажность более 20%, низкой – менее 5%.

Гигроскопичность – способность материала поглощать водяные пары из воздуха (при его повышенной влажности) и удерживать их вследствие капиллярной конденсации.

Водопоглощение – способность материала при непосредственном контакте с водой впитывать ее и удерживать. %, с погрешностью 0,1%. Более 20% - высокий показатель, менее 5% - низкий. Древесина – 150%, кирпич керамический – 12%, бетон тяжелый – 3%, гранит – 0,5%.

Водостойкость – характеризуется коэф. размягчения (Кр) – отношением предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии. При > 0,8 материал для строений постоянно контактирующих с водой.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см² площади испытуемого материала при постоянном давлении. Измеряется время, в течение которого образец не пропускает воду при постоянном давлении воды, или гидростатическое давление, которое выдерживает образец материала в течение определённого времени. Стекло и металлы водонепроницаемы, практически не пропускают воду материалы с замкнутыми мелкими порами.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительных потерь массы и прочности. Замораживание производят при температуре -15…-20˚С в течение 4-8 ч, оттаивание происходит в ванне с водой при температуре +15…+20˚С в течение 4 ч и более. Высокая морозостойкость – более 100 циклов, десятки циклов – удовлетворительная, менее 10 циклов – низкая. Показания морозостойкости определяют долговечность материала в ограждающих конструкциях.

Теплопроводность – способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Коэф. теплопроводности (λ) представляет собой кол-во теплоты, прошедшей в течение 1 ч через испытуемый материал толщиной 1 м при разнице температур на его противоположных поверхностях в 1 ˚С – Вт/м ˚С. Материалы с коэф. менее 0,17 – теплоизоляционные, менее 0,05 – значительный технико-экономический эффект. Сталь 58, гранит 3, бетон тяжелый 1,3, кирпич керамический 0,75, бетон легкий 0,5, пенопласты 0,04. Особенности строения влияют на теплопроводн, например у древесины λ вдоль волокон в 2 раза больше поперёк.

Огнестойкость – способность материалов сохранять физико-механические свойства при воздействии огня и высоких температур в условиях пожара. По горючести делят на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (природный камень, бетон, кирпич, металлы). Трудносгораемые обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, после удаления источника огня горение и тление прекращается (асфальтобетон, цементный фибролит). Сгораемые горят, тлеют и после удаления огня (древесина, бол-во пластмасс). Но при длительной действии огня может происходить химическое разложение мрамора, известняка или деформация стали, поэтому по степени горючести нельзя судить об огнестойкости.

Звукопоглощение – способность материалов поглощать звуковые волны. Коэф. поглощения α , показыв. какое определяется после испытания материала в реверберационной камере. Более 0,8 – высокий, менее 0,2 – низкий (минераловатные плиты – от 0,03 до 0,45, поропласт полужесткий 0,11 да 0,6). Хороший звукопоглощающий материал имеет пористо-волокнистую структуру с большим кол-вом пор сообщающегося разветвлённого характера, шероховатую поверхность.

Коррозионная стойкость – способность материалов сопротивляться действию агрессивных веществ. Виды коррозии: физическая, химическая, физико-химическая, электрохимическая, биологическая. Определяется разность масс образцов до и после воздействия агрессивной среды и соответствующее изменение прочностных и упругих хар-ик. СМ из органич. сырья (древесины или пластмассы) – сравнит. стойкие к слабым (<5%) кислотам и щелочам, но менее биостойки. Корроз. стойкость СМ из не органич. сырья зависит от их состава: если в материале преобладает двуоксид кремния, сравнит. стойкий к слаб кислотам, но взаимодействует с основными оксидами; если же в материале преобладают основные оксиды, сравнит. стойкий к слаб кислотам, но разрушается при взаимодействии с кислотами.

Свойства при действии статических и динамических сил:

Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами. Предел прочности – напряжение, соответ. Нагрузке, при которой фиксируется начало разрушения. Сжатие, растяжение, изгиб, удар. Высокая прочность при сжатии – 100 МПа и более, удовлетворительная – десятки МПа, низкая менее 10 МПа. Сталь 400 МПа, тяжелый бетон 40, кирпич керамический 15. При изгибе – сталь 400, бетон тяжелый 4, кирпич около 2 МПа.

Твердость – способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при местном внедрении другого, более твердого тела, МПа. Шкала твердости Мооса: 10 алмаз, 9 корунд, 8 топаз, 7 кварц, 6 ортоклаз, 5 апатит, 4 плавиковый шпат, 3 кальцит, 2 гипс, 1 тальк.

Истираемость – способность материала уменьшаться в объеме и массе вследствие разрушения поверхностного слоя под действием истирающих усилий. Низкая истираемость – менее 0,5 г/см², высокая – 5 г/см², весьма стойки к истиранию кварциты, базальты, диориты, граниты, менее стоек мрамор.

Упругость – способность материала деформироваться под влияние нагрузки и самопроизовльно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней среды. Упругая деформация обратима. Модуль упругости Е (модуль Юнга).

Пластичность – способность материала изменять форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. После прекращения действия форма не восстанавливается, остаточная деформация – пластическая.

Хрупкость – способность твердого материала разрушаться при механических воздействиях без сколько-нибудь значительной пластической деформации. По х-ру деф-ий, завис. от состава и строения, материалы условно можно разделить на пластичные (# металлические материалы, кроме чугунных) и хрупкие (прир-ый камень, бетон, стекло оконное).

Технологические свойства материалов

Свариваемость – свойство строительных материалов образовывать сплошной однородный шов при сварке. К свариваемым материалам относятся сталь, полиэтилен, линолеум и т.д.

Ковкость - способность материала проявлять упругопластические свойства и принимать заданные геометрические размеры при ударных нагрузках.

Гвоздимость – это свойство материала, характеризующее примерно равное сопротивление вдавливанию в материал и выдергиванию из него посторонних предметов. Гвоздимость характерна для дерева, гипсовых перегородок, арболита, ксилолита и т.д.

Водопотребность – это количество воды потребляемое материалом. Характерно для растворных и бетонных смесей.

Спекаемость – это способность строительного материала при воздействии высоких температур превращаться в камневидный материал однородной структуры.

Плавление – способность строительного материала при воздействии высокой температуры проявлять жидкотекучее состояние.

Дробимость – способность материала распадаться на куски при приложении ударных нагрузок.

Формуемость – способность материала заполнять форму и растекаться, сохраняя при этом монолитность и однородность.

Расслаиваемость – это свойство материала перераспределять твердые частицы по объему всего строительного материала. Расслоение может возникать в процессе уплотнения и транспортировки, в основном бетонных и растворных смесей.

Шлишуемость – способность строительного материала подвергаться шлифованию.

Полируемость – способность материала подвергаться процессу полирования.

Методы оценки свойств строительных материалов

Определение средней плотности на образцах правильной геометрической формы

Средняя плотность материала – физическая величина, определяемая отношением массы образца ко всему объему, занимаемому им вместе с порами и пустотами, выражается соотношением

Где Pm– средняя плотность материала, кг/м3 ; m – масса образца, кг; V – объем образца в естественном состоянии, м3 .

Чтобы определить среднюю плотность на образце пра- вильной геометрической формы измеряют его длину, ширину и высоту; вычисляют объем, взвешивают и по формуле определяют среднюю плотность.

Определение плотности образца неправильной формы способом гидростатического взвешивания

Способ гидростатического взвешивания основан на изме- рении объема по массе вытесненной им жидкости (чаще всего, воды). Для этого необходимо взвесить образец на воздухе и в жидкости известной плотности, объем V вычислить по формуле

где m и mж – масса образца, взвешенного соответственно на воздухе и в жидкости, кг; ж – плотность жидкости, кг/м3 .

Средняя плотность образца неправильной формы вычисляется по формуле:

Изложенный способ применяется в случае, когда испыта- нию подвергается материал со сплошной структурой (т.е. без пор и пустот).

Определение истинной плотности материала

Истинная плотность материала (т.е. без учета имеющихся в нем пор и пустот) определяется как отношение массы к абсолютному объему

где – истинная плотность, кг/м3 ; m – масса образца сухого материала, кг; Va – объем образца, м3 .

В данной работе определяют истинную плотность керами- ческого кирпича пикнометрическим методом. Для этого из предварительно подготовленной пробы берут навеску порошка массой 10 г и помещают в чистый высушенный пикнометр. Пикнометр с порошком заливают примерно до половины дис- тиллированной водой, переносят на песчаную баню, устанавли- вают в несколько наклонном положении и нагревают до слабого кипения, которое поддерживают в течение 15–20 минут. Кипя- чение производят для удаления воздуха, содержащегося между частицами порошка. Затем пикнометр охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки на горлышке дистиллированной водой, об- тирают и взвешивают. После этого пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и снова взвешивают. Истинную плотность вычисляют с точно- стью до 1 кг/м3 (г/м3 ) по формуле

где – истинная плотность керамического кирпича, кг/м3 ; в – плотность воды, равная 1000 кг/м3 ; m – масса порошка, кг; m1 – масса пикнометра с порошком и водой, кг; m2 – масса пикнометра только с водой, кг. Затем вычисляют среднее арифметическое значение трех испытаний.

Определение насыпной плотности

Сыпучие материалы (песок, щебень, цемент и др.) характеризуются насыпной плотностью – отношением массы зерни- стых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объёму, включая пространство между частицами. В качест- ве примера рассмотрим определение насыпной плотности це- мента в рыхлом состоянии. Насыпная плотность цемента в зависимости от степени уп- лотнения колеблется в широких пределах, и в связи с этим раз- личают насыпную плотность в рыхлом и уплотненном состоя- нии. Для определения насыпной плотности цемента в рыхлом состоянии используют стандартную воронку в виде усеченного конуса с поддоном. Для определения насыпной плотности в во- ронку насыпают сухой цемент, открывают задвижку и заполня- ют заранее взвешенный мерный цилиндр с верхом. Закрывают задвижку и линейкой срезают от середины в обе стороны изли- шек цемента вровень с краями цилиндра. Затем цилиндр с материалом взвешивают с точностью до 1 г. Испытания повторяют 3 раза и насыпную плотность определяют по формуле:

где m1 – масса цилиндра с цементом, кг; m2 – масса цилиндра без цемента, кг; V – объем цилиндра, м3.

Определение насыпной плотности цемента в уплотненном состоянии

Высушенный цемент насыпают непосредственно в мерный сосуд, на который предварительно надевают насадки. Заполненный цементом цилиндр помещают в деревянный ящик с крышкой, ставят на встряхивающий столик и встряхивают 50 раз. Цилиндр вынимают из ящика, срезают избыток цемента линейкой и взвешивают. Вновь надевают насадку, досыпают излишек цемента и производят повторное уплотнение. Взвешивание и уплотнение повторяют до постоянной массы в уплотненном со- стоянии. Опыт повторяют 3 раза и вычисляют насыпную плотность в уплотненном состоянии.

Определение пористости

Пористость – степень заполнения объёма материала пора- ми. Величину пористости вычисляют по формуле

где П – пористость, %; – истинная плотность, кг/м3 ; m – средняя плотность материала, кг/м3.

Определение водопоглощения

Водопоглощение – способность материала впитывать в себя воду при непосредственном контакте с ней. Различают водопоглощение по массе и объему, для вычисления, которых пользуются следующими формулами:

где

Wм – водопоглощение по массе, %;

W0 – водопоглощение по объему, %;

mн – масса образца, насыщенного водой, кг;

mc – масса сухого образца, кг;

Vc – объем сухого образца, м3 ;

в ρ – плотность воды, равная 1000 кг/м3 .

В данной работе определяют водопоглощение силикатного кирпича, шамота, бетона. Для этого у каждого образца опреде- ляют массу, измеряют размеры, вычисляют объем. Затем образ- цы маркируют и погружают в емкость с водой на 48 часов. Уро- вень воды в емкости должен быть на 2–10 см выше верха образ- ца. В течение этого времени образцы насыщаются водой. После насыщения водой образцы вынимают, немедленно обтирают влажной мягкой тканью и взвешивают. Вода, выте- каемая из образцов на чашку весов, должна включаться в массу насыщенного образца. Водопоглощение всегда меньше истинной пористости, так как часть пор оказывается закрытой, не сообщающейся с окру- жающей средой и не доступной для воды. Объёмное водопо- глощение всегда меньше 100%, а водопоглощение по массе может быть более 100%.

Определение коэффициента теплопроводности

Теплопроводность – способность материала проводить че- рез свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих матери- ал. Это свойство характеризуется теплопроводностью , которая показывает количество теплоты, проходящей через плоскую стенку толщиной 1м, площадью 1м2 при перепаде температур на 17 противоположных поверхностях в 1 С в течение 1ч. Величина имеет размерность Вт/(мК) и может служить убедительной ха- рактеристикой при оценке теплозащитных свойств строитель- ных материалов. Она зависит, главным образом, от пористости материала: содержащийся в порах воздух является малотепло- проводной средой. Воздух при атмосферном давлении и темпе- ратуре +20 С имеет теплопроводность = 0,023 Вт/(мК), а при температуре 100 С – 0,036 Вт/(мК), при 1000 С – 0,0788 Вт/(мК). На теплопроводность значительное влияние оказывает влажность. Влажные материалы более теплопроводны, нежели сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды (0,590 Вт/(мК)) в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Теп- лопроводность характеризует теплофизические свойства мате- риалов, определяя их принадлежность к классу теплоизоляци- онных (А – до 0,082; Б – 0,082 – 0,116 и т.д.), конструктивно - теплоизоляционных и конструктивных. В прил. 3 приведена теплопроводность некоторых строительных материалов. На практике ориентировочно оценить теплопроводность материала можно по его плотности. Известная формула В.П. Некрасова связывает теплопроводность материала с его плотностью

где

– коэффициент теплопроводности материала, Вт/(мК);

d –плотность материала.