1.2. Основные свойства строительных материалов

В зависимости от вида воспринимаемого воздействия свойства материалов условно подразделяют на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся общефизические, которые характеризуют структуру материала, а также гидрофизические, теплофизические и акустические. Общефизические свойства включают показатели истинной, средней и насыпной плотности, общей и открытой (капиллярной) пористости, равной количеству поглощенной воды, выраженной в процентах по отношению к объему материала. Плотность равна массе единицы объема вещества, из которого состоит материал – истинная, изделия в естественном состоянии – средняя и в насыпном состоянии для рыхлозернистых материалов – насыпная. Имея значения истинной, средней и насыпной плотности можно рассчитать общую пористость материала или пустотность для сыпучих. Для абсолютно плотных материалов (металлы, стекло) показатели истинной и средней плотности равны, для пористых и сыпучих величина истинной всегда больше из-за содержания воздуха в самом материале (бетон) или в самом материале и между его зернами (керамзит). При близких значениях истинной плотности по величине открытой пористости можно делать сравнительную оценку свойств материалов по прочности, морозостойкости, водопроницаемости, теплопроводности, звукопоглощению.

Гидрофизические свойства в зависимости от механизма действия воды на материал подразделяют на водопоглощение (по массе), водопроницаемость, гигроскопичность, водоотдачу, воздухостойкость, морозостойкость. Водопроницаемость оценивают предельным давлением, при котором материал не фильтрует воду. Это важный показатель при возведении гидротехнических сооружений, фундаментов, на которые действуют грунтовые воды, емкостей для хранения жидких продуктов, а также напорных и безнапорных труб.

Способность материала поглощать и адсорбировать на своей поверхности водяные пары из воздуха называют гигроскопичностью. Количество поглощенной воды, выраженное в процентах, зависит от природы материала: гидрофобный – водоотталкивающий (битум), гидрофильный (стекло, дерево, камень), структуры и влажности воздуха. Чем больше объем пор и меньше их размер, тем выше гигроскопичность гидрофильного материала.

Фактически обратным показателем гигроскопичности является водоотдача, характеризующая возможность материала отдавать влагу при изменении температуры и влажности окружающего воздуха. Это важное свойство используют в технологии получения деревянных, гипсовых, керамических и других изделий при их сушке.

Воздухостойкость и морозостойкость оценивают способность материала работать в естественных условиях смены температурно-влажностных режимов, т. е. являются фактическими показателями долговечности изделий. Воздухостойкость характеризует весенне-осенние условия эксплуатации, морозостойкость – осенне-весенние. И в том и в другом случае фазовые превращения воды (пар, лед), происходящие с увеличением объема, деформации, возникающие в самом материале при увлажнении, высушивании, замораживании, в условиях циклического действия, приводят к появлению микротрещин, потере прочности и разрушению материала.

Особенно интенсивно эти процессы протекают в таких хрупких, относительно пористых материалах, как бетон, керамика, прочность на сжатие которых в 10 – 20 раз выше, чем на изгиб. Критерием оценки этих свойств служит количество циклов испытаний, выдержанных материалом без снижения предельно допустимой прочности. По морозостойкости материалу присваивают марку F15 – F1000, в которой число показывает количество циклов попеременного замораживания и оттаивания в воде. Следовательно, долговечность материалов зависит от вещественного состава, характера (замкнутые, открытые), величины и объема пор.

Теплофизические свойства включают теплоемкость, теплопроводность, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность и огнестойкость. Теплоемкость характеризует способность материала поглощать тепло при нагревании и отдавать при охлаждении. Наибольшей теплоемкостью обладает вода – 4 кДж/(кгК). Поэтому чем выше влажность материала, тем больше его теплоемкость. Это свойство материалов учитывают при проектировании и возведении ограждающих конструкций.

Разная температура противоположных поверхностей в изделии вызывает движение теплового потока – это свойство называют теплопроводностью. Количество перенесенного тепла зависит от вещественного состава, строения материала, характера пористости, величины перепада температуры и влажности материала. Для количественной оценки этого свойства применяют коэффициент теплопроводности, который является основным показателем, определяющим эффективность теплоизоляционных материалов. Качество этих изделий специального назначения повышают за счет создания воздухонаполненной ячеистой, замкнутой структуры, в которой твердая фаза составляет не более двух процентов (поропласты).

Термостойкость оценивают количеством резких теплосмен, которые выдерживает материал без деформаций и разрушения. Низкой термостойкостью обладают изделия из гранита и силикатного стекла.

Способность материалов сохранять прочность и целостность при температуре до 1000 ⁰С называют жаростойкостью.

Материалы, используемые для футеровки (защиты) высокотемпературного, технологического оборудования должны обладать огнеупорностью, т. е. выдерживать высокую температуру без снижения прочности и изменения размеров. Предельная температура их применения зависит от вещественного состава и составляет 1350 ⁰С для легкоплавких, 1580 ⁰С – тугоплавких и свыше 1580 ⁰С – огнеупорных.

Огнеупорные в свою очередь по термостойкости подразделяют на огнеупорные – 1580 – 1770 ⁰С, высокоогнеупорные – 1770 – 2000 ⁰С и высшей огнеупорности – свыше 2000 ⁰С. По химико-минералогическому составу это соответственно динасовые, содержащие в основном кремнезем (SiO₂), шамотные (SiO_2, Al₂O₃) и высокоглиноземистые (Al₂O₃).

Огнестойкость оценивают временем, в течение которого материал, контактирующий с открытым пламенем, не теряет своей прочности, сплошности и теплоизолирующих свойств. Время возгорания или воспламенения зависит от вещественного состава. Так органические материалы (древесина, битум, полимеры) относятся к сгораемым, органоминеральные (пластмассы, древесно-цементные, гипсо-древесные) к трудносгораемым и неорганические (бетон, керамический кирпич) – к несгораемым.

Акустические свойства проявляются в изделиях при контакте со звуковыми волнами. Для создания комфортных условий работы и проживания, а также для исключения наложения звука и улучшения чистоты звучания в театральных и концертных залах, лекционных аудиториях применяют специальные материалы, которые или поглощают шумовой звук, или изолируют конструкции от распространения ударного звука. Первые материалы называют звукопоглощающими, их применяют для отделки потолков, верхней части стен. Степень эффективности обеспечивается высокой открытой пористостью или рельефностью поверхности. Вторые материалы – упругие звукоизоляционные, располагают под конструкциями стен в виде полос и прокладок или под полом – мягких плит и матов. К акустическим материалам относят также противовибрационные: вибропоглощающие и виброизоляционные, применяемые на промышленных предприятиях.

Химические свойства материалов определяются его составом, а также составом, температурой и агрегатным состоянием контактирующей среды. Следовательно, основным показателем являетсяхимическая активность, т.е. способность материала участвовать в химических реакциях с образованием новых соединений. Проявление химической активности может сопровождаться как упрочнением материала (твердение бетона, обжиг керамики), так и его разрушением (коррозия металла, бетона). Требования по химической стойкости предъявляют к материалам и изделиям, эксплуатируемым в условиях действия растворов кислот, щелочей, солей, а также газообразных продуктов. Для оценки их стойкости проводят специальные испытания. Повысить долговечность конструкций, работающих на химических предприятиях можно не только подбором стойких компонентов, но и путем использования специальных антикоррозийных, защитных материалов.

Механические свойства характеризуют поведение материалов при действии нагрузок различного вида (растягивающие, сжимающие, изгибающие и т. д.). В результате механических воздействий материал деформируется. В зависимости от величины, времени действия нагрузки и природы материала (пластичный – древесина, хрупкий – камень) деформации могут быть упругими, остаточными, пластическими, вызывающими изменение формы, и предельными, приводящими к разрушению материала. Именно по последним определяют предел прочности при сжатии, изгибе и т. д.

К основным механическим свойствам, которые характеризуют, прежде всего, конструкционные материалы, относят такие как предел прочности на изгиб, сжатие, растяжение, твердость, истираемость, сопротивление удару (хрупкость), износ.

В несущих и ограждающих конструкциях материал воспринимает сложные сочетания различных по характеру и направлению видов нагрузок, поэтому качество таких материалов как бетон, металлы, кирпич силикатный и керамический, древесина и т. д. оценивают по сумме механических свойств. При проектировании расчетные значения в соответствии с нормативными требованиями всегда составляют лишь определенную часть предела прочности материала. Это связано с неоднородностью и старением материала, недостаточной надежностью результатов испытаний, а также зависит от вида материала и долговечности строящегося объекта.

Предел прочности на сжатие определяют путем испытания специально отформованных образцов кубической формы или полученных выпиловкой из готового изделия. Контроль прочности на изгиб, как правило, проводят на образцах и изделиях прямоугольной формы.

Для оценки эффективности конструкционных материалов, которые должны сочетать высокую прочность с легкостью изделий, введен коэффициент конструктивного качества(ККК) равный отношению предела прочности на сжатие к средней плотности.

Свойства твердость, истираемость, сопротивление удару и износ относят к специальным. Они являются обязательными при оценке качества материалов для покрытия пола, особенно на промышленных предприятиях, дорог и тротуаров.

Твердость – сопротивление материала внедрению в его поверхность более твердого тела правильной формы (алмазной пирамиды, металлического шарика из специального сплава и т. д.).

Истираемость – потеря массы материала на единицу площади при действии истирающей нагрузки.

Сопротивление удару измеряется работой, затраченной на разрушение материала.

Износ – свойство материала сопротивляться совместному действию истирающей и ударной нагрузок. Показатель выражают в процентах потери массы. Прочность материала зависит от вещественного состава, структуры, влажности, температуры, направления и скорости подачи нагрузки.

Совокупность свойств материала обеспечивают долговечность эксплуатации зданий и сооружений. Под долговечностью понимают способность материалов сопротивляться комплексному воздействию разных факторов в период эксплуатации.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки (гвоздимость, свариваемость, склеиваемость и т. д.). Наиболее важными являются вязкость и пластичность. Состояние промежуточной нестабильной коагуляционной микроструктуры проходят все искусственно получаемые материалы и изделия (стеклянные, металлические, полимерные, керамические, искусственные каменные). Именно эти свойства обеспечивают заполнение определенного объема и получение изделий различной заданной формы и размеров. Пластичность характеризует способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму при снятии нагрузки.

Вязкостью или внутренним трениемназывают сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Для количественной оценки этого свойства служиткоэффициент динамической вязкости, измеряемый в Пас. Величина показателя зависит от вещественного состава и температуры. Особенно важно это свойство для клеев, красочных составов.

Рассмотренные свойства строительных материалов представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1