Тема 2 Свойства материалов

Совокупность различных свойств предопределяет назначение материала и граничные условия его эксплуатации.

Свойство – это отличительная особенность вещества, материала или изделия, которая проявляется во взаимодействии с окружающей средой или другими веществами и соединениями.

Свойства материалов оценивают, как правило, числовыми показателями, которые устанавливают путем испытаний. Для получения сопоставимых данных испытания обязательно проводят единообразно, в соответствии с нормативными документами (ГОСТами, ОСТами, СН, ТУ и др.).

Свойства материалов принято разделять на основные, одинаково важные для всех строительных материалов и специальные, позволяющие оценить возможность применения данного материала для определенных целей.

К основным свойствам относятся масса, плотность, пористость, прочность, к специальным - водопоглощение, влажность, гигроск5опичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость, паро- газопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность и др.

В соответствии с возможными воздействиями на материал свойства материалов классифицируют на:

• структурные характеристики – масса, плотность, пористость, дисперсность и др.;

• физические свойства, определяющие отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям: теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность, огнестойкость и др.), гидрофизические (гигроскопичность, влажность, водопоглощение, морозостойкость, водопроницаемость и др.);

• химические свойства, характеризующие способность материала к химическим превращениям и стойкость против химической коррозии;

• механические свойства, определяющие отношение материала к деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок, - прочность, твердость, истираемость и др.

Долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплуатационных свойств материалов во времени.

1 Структурные характеристики

Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле (кг, г). 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.

Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала (кг/м³, г/см³):

 = m / V, (1)

где m – масса материала, кг (г); V- объем в плотном состоянии, м³ (см³).

Большинство строительных материалов пористые - в их объеме помимо твердого вещества находятся воздушные ячейки (поры), заполненные воздухом, плотность которого несравнимо ниже плотности твердого вещества. Поэтому для строительных материалов определяют среднюю плотность.

Средняя плотность – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии, включая поры и пустоты (кг/м³, г/см³):

_о = m / V_е , (2)

где m – масса материала, кг (г); V_е – объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Относительная плотность – выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях (безразмерная величина):

d= _I (T_I; P_I) / _ст (T_ст; P_ст), (3)

где _I - плотность материала, кг/м³; _ст - плотность стандартного вещества, кг/м³.

В качестве стандартного вещества принимают воду при +4 ^оС, имеющую при этой температуре плотность 1000 кг/м³. Например: легкий бетон _о=1400 кг/м³иметт относительную плотность d=1,4.

Для характеристики материалов, состоящих из отдельных зерен (цемент, песок, гравий), используют так называемую насыпную плотность.

Насыпная плотность – отношение массы зернистых или порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами (кг/м³, г/см³, кг/л):

_нас = m / V_нас , (4)

где m – масса зернистого или порошкообразного материала, кг (г); V_нас – объем, который занимает определенная масса материала, находящегося в рыхлонасыпном состоянии, м³ (л).

Подавляющее большинство современных материалов кроме жестко-вязкого (твердого) вещества содержат в структуре поры – промежутки, полости, ячейки. Их количество и характер (размеры, распределение, открытость или закрытость) влияют на эксплуатационно-технические свойства

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

Пористость – степень заполнения объема материала порами:

П = V_П / V_е (5)

где V_П – объем пор, м³ (см³); V_е - объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

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

П = ( 1 - _о /  ) · 100 (6)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 до 98 %. В зависимости от показателя пористости различают низкопористые (менее 30 %), среднепористые (от 30 до 50 %) и высокопористые (более 50 %) материалы. На свойства материалов оказывает влияние величина пористости, размер и характер пор. Пористый материал содержит открытые и закрытые поры, размер пор может быть как несколько ангстрем, так и несколько миллиметров. По размеру поры классифицируют на:

• макропоры 0,5 мкм (510³ А);

• капиллярные поры 1 мкм (10⁴ А);

• контракционные поры 1…10^-2 мкм (10⁴…10² А);

• поры геля – 10^-2…10^-4 мкм (50…15 А).

Из представленной классификации к элементам макроструктуры относятся макропоры и крупные капилляры. Капиллярами называют, как правило, канальные поры, которые способны впитывать жидкость. Этот процесс имеет место при определенных условиях, связанных с радиусом капилляра, свойствами жидкости и твердой фазы, а также взаимодействием жидкости с внутренней поверхностью капилляра. Увеличение замкнутой пористости повышает долговечность материала.

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

Пустотность – степень заполнения определенного объема зернистым или порошкообразным материалом (%) или количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала:

П = ( 1 -  _нас /  ) х 100 (7).

Например, пустотность песка кубанского речного достигает 50%.