5. Основные свойства строительных материалов

Свойство – характеристика материала (изделия), проявляющаяся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.

Качество материала – совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

В данном курсе свойства материалов будем делить на четыре основные группы:

• структурные характеристики и физические свойства характеризуют особенности физического состояния, обусловленного структурой материала, или определяют отношение материала к различным физическим процессам;

• механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушению и деформированию под действием внешних сил (нагрузок);

• химические и физико-химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое или физико-химическое взаимодействие с окружающей средой в процессе эксплуатации (растворимость, адгезия, стойкость к действию кислот и щелочей и др.);

• технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным видам технологической обработки при изготовлении из него изделий, изменяющим состояние материала, структуру его поверхности, придающим нужную форму, размеры и свойства (формуемость, удобоукладываемость, свариваемость, ковкость, гвоздимость, спекаемость и др.).

Приведенное деление свойств на группы – не единственный подход к классификации свойств. В литературе часто выделяют строительно-технические свойства, которые определяют возможность использования материалов в зданиях, сооружениях. Они, в свою очередь, подразделяются на конструкционные, изоляционные, декоративные и др. Очевидно, что эти группы свойств можно отнести и к приведенной выше классификации.Например, конструкционные свойства относятся к механическим, изоляционные и декоративные – к физическим и т.п.

Здесь мы рассмотрим только некоторые структурные характеристики, физические и механические свойства. Химические и технологические свойства изучаются для разных групп материалов в соответствующих разделах. Кроме того, более подробное рассмотрение свойств будет в последующих курсах (для студентов профилей ПГС и АД)

5.1.Структурные характеристики и физические свойства материалов

_{Плотностькак физическая величина выражается отношением массы к объему. Для большей части строительных материалов и изделий их объем включает в себя поры, внутренние пустоты или полости. Поэтому плотность может быть определена двумя величинами.}

_{Истинная плотность- отношение массы сухого материала к его объему без пор и пустот, т.е. к объему собственно твердого вещества, из которого состоит материал. Этот объем называют абсолютным.}

_{Средняя плотность- отношение массы сухого материала к его объему вместе с порами и технологическими пустотами. Этот объем называют естественным объемом материала. Если материал сыпучий (зернистый, кусковой), для него можно выразить плотность еще одним способом.}

_{Насыпная плотность- отношение массы сухого материала к его объему в свободно насыпанном состоянии. Этот объем называют насыпным. Он включает в себя куски (зерна, гранулы, частицы) материала и промежутки между ними - межзерновые пустоты.}

_{Конечно, для одного куска материала можно говорить лишь об истинной и средней плотности. Если из контекста ясно, о какой плотности идет речь, то пишут просто "плотность". Чаще всего под просто плотностью подразумевают среднюю плотность}

_{Введем следующие обозначения:Мс - масса сухого материала;V - абсолютный объем материала;Vo - естественный объем материала;Vн - насыпной объем материала.}

_{Тогда определяющие выражения для плотности имеют вид:}

_{истинная плотность:}

_{; (1)}

_{средняя плотность:}

_{; (2)}

_{насыпная плотность:}

_{. (3)}

_{В зависимости от единиц массы и объема любая плотность может быть выражена в кг/м3, кг/л, г/см3 и других единицах. Насыпную плотность чаще всего выражают в кг/м3, истинную в г/см3. Если в одной и той же формуле встречаются два вида плотности (см., например, формулу 5),то они должны быть выражены в одних и тех же единицах.}

_{Пористость - доля (или процент) пор в естественном объеме материала, или, более точно, отношение объема пор к естественному объему материала:}

₍₄₎

_{формула выражает пористость в долях от 1 (если объем принять за 1). Для выражения в процентах долю, т.е. предыдущее выражение, надо умножить на 100.}

_{Выражение (4) является определяющим для пористости, но делать расчеты по этой формуле в случае рассеянных по всему объему материала пор затруднительно из-за неопределенности величины абсолютного объема. Поэтому для расчетов выражают V и V0 из формул (1) и (2) через массу и плотность и, подставляя их в (4), получают общую пористость П0 в виде}

₍₅₎

_{или в процентах}

_(5.1)

_{Открытая пористость- доля или процент пор в естественном объеме материала, доступных для проникновения воды или другой жидкости.}

_{В случае открытой пористости объем пор Vпор в формуле (4) должен быть заменен объемом воды, заполняющей поры – Vв. Обычно Vв < Vпор из-за наличия пор, недоступных для проникновения воды (закрытых или замкнутых пор).}

_{Закрытая пористостьравна разности между общей и открытой пористостью}

_{Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, прочность и др.}

_{Пустотность (или межзерновая пустотность) - доля или процент пустот в свободно насыпанном объеме материала, или отношение объема пустот (т.е. пространства, незанятого кусками или зернами материала) к насыпному объему материала:}

₍₆₎

_{При расчетах величины V0 и Vн, выраженные из формул (2) и (3) через массы и плотности, подставляют в (6) и получают:}

₍₇₎

_{Ппуст может быть также выражена в долях, как в формуле (7), или в процентах}

_{или в процентах}

_{Влажность - процентное содержание влаги в массе материала, т.е. выраженное в процентах отношение массы воды внутри материала к массе сухого материала:}

₍₈₎

_{где Мвл – Мc = Мв - масса воды, равная разности масс влажного и сухого материала.}

_{Все материалы в естественном состоянии имеют какую-то влажность, так как способны адсорбировать влагу из воздуха. В том случае, когда материал полностью насыщен водой, говорят о водопоглощении материала.}

_{Водопоглощение по массе- максимальная влажность, которую приобретает материал после выдерживания в воде в течение определенного времени:}

₍₉₎

_{где Мнас - масса материала, насыщенного водой (Мнас > Мвл).}

_{Водопоглощение по объему- отношение объема воды, насыщающей материал, к объему материала (выражается в процентах):}

₍₁₀₎

_{Заменяя Vв отношением массы поглощенной воды к ее плотности, получим для W0 формулу:}

₍₁₁₎

_{Поделив выражение (11) на (10) и учитывая формулу (2), получим, что отношение W0/Wm равно отношению средней плотности материала к плотности воды. Эта величина называется относительной плотностью материала (по отношению к воде):}

₍₁₂₎

_{Относительная плотность материала D показывает, во сколько раз материал в естественном состоянии тяжелее воды (если относительная плотность меньше единицы, то это значит, что материал легче воды). Эта величина безразмерна, но численно она равна средней плотности в г/см3.}

_{Коэффициент размягчения (коэффициент водостойкости) - отношение прочности насыщенного водой материала к прочности сухого материала:}

₍₁₃₎

_{Величина Кразм для разных материалов принимает значения от 0 (материал полностью размокает в воде) до 1 (материал не изменяет своей прочности при насыщении водой). Для конструкционных материалов, эксплуатируемых во влажных условиях, например, в фундаментах, Кразм должен быть не менее 0.8.}

_{Морозостойкость.}

_{Поскольку объем льда на 9 % больше объема жидкой воды при одной и той же массе, при замерзании воды в порах материала происходят деформации (распирание стенок пор), приводящие при многократном замораживании и оттаивании к трещинам, потере прочности и, в конечном счете, к разрушению материала. Морозостойкость количественно характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает материал, теряя при этом не более 15% прочности или не более 5% массы.}

_{Число циклов, отвечающее этому условию, округленное до определенных значений, называется маркой материала по морозостойкости. Для разных материалов стандартами приняты следующие марки: 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и т.д. Перед числом, обозначающим марку по морозостойкости, ставится латинская буква F: F10, F15, F25 и т.д. Например, если материал после 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания потерял 10% прочности, а после 35 циклов - уже 16%, то марка по морозостойкости будет F25.}

_{Теплопроводность.}

_{Количественной характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности λ:}

_(14),

_{где Q – количество теплоты, проходящей через материал; b – толщина материала; τ – продолжительность (время) прохождения теплоты; S – площадь, через которую проходит тепло; t1 и t2 – температура на противоположных по толщине сторонах материала.}

_{Для краткости коэффициент теплопроводности называют теплопроводностью.}

_{Таким образом, теплопроводность численно равна количеству тепла, проходящему через материал единичной толщины в единицу времени через единицу площади при разности температур между наружной и внутренней поверхностями материала в один градус. Нетрудно убедиться, что размерность теплопроводности в системе СИ - Вт/м.°С.}