Гигроскопичность

Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что при уменьшении радиуса пор ниже критического значения (< 0,5 мкм) исчезает капиллярный подсос, однако жидкость все же заполняет даже мельчайшие поры за счет конденсации паров на их стенки с последующим переходом пленок в столбик жидкости. Такое свойство заполнения пор жидкостью называют гигроскопичностью структуры.

Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха можно рассчитать количество адсорбированного газа или водяного пара (α):

α = Kp^l/n,

где: p^l/n — давление газа;

       К и п — эмпирические параметры, постоянные для адсорбента и газа при определенной температуре.

Такие высокопористые материалы, как силикагель, древесина керамзитовый гравий и др., могут быть использованы в качестве регуляторов влажности в замкнутых объемах. Ограждающие конструкции из древесины и керамического кирпича благодаря гигроскопичности структуры и в зависимости от климатических условий регулируют влажностный режим помещения, т.е. они как бы дышат.

П.А. Ребиндер дает следующую классификацию пор по насыщению их жидкостью (табл. 3.4).

Пористость как основная характеристика структуры во многом определяет такие ее свойства, как теплопроводность, прочность и др.

 Таблица 3.4. Классификация пор по насыщению их жидкостью

Структура материала	Размер пор, мкм	Характер пор	Характер процесса	Физический смысл явления
Крупнопористая	>10 (20)	Макропоры (резервные)	Насыщение окунанием	Гравитационное вытеснение газа жидкостью
Пористая	10 (20)…0,5	Капилляры (опасные)	Капиллярный подсос	φкп > φпт
Мелкопористая	< 0,5	Микропоры (безопасные)	Сорбция и конденсация	α= Кр1/n

 Газопроницаемость

Газопроницаемость - свойство пористой структуры пропускать газ при перепаде давлений. Газопроницаемость зависит от размеров и вида пор, поэтому этот показатель часто используют при оценке равномерности структуры.

Наибольшее значение газопроницаемости соответствует размеру пор порядка 20... 100 мкм. Однако проницаемость газов через бетоны может происходить и при более низких значениях размера пор (0,1 мкм и ниже), например, в тонких трещинах.

Газопроницаемость весьма чувствительна к изменению структуры изделий. Так, если при некотором изменении структуры открытая пористость изменилась в 2 раза, то газопроницаемость меняется более чем в 100 раз.

Поскольку материал, как правило, имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.

 Таблица 3.5. Сопротивление воздухопроницанию некоторых материалов и конструкций.

Материал конструкции	Толщина слоя, мм	Сопротивление воздухопроницанию, м2.ч.Па/кг
Кирпичная кладка	120	2000
Обшивка из шпунтованных досок	20…25	15
Плиты минераловатные, жесткие	50	2
Легкий бетон, слитный	400	13000
Цементно-песчаная штукатурка	15	373
Пенобетон автоклавный	100	1960
Бетон тяжелый, слитный	100	19620

 Для вывода уравнения газопроницаемости пористость материала условно представляют в виде цилиндрических каналов одинакового сечения, идущих параллельно направлению движения газа.

Уравнение Пуазейля хорошо отражает процесс газопроницаемости, но очень сложно для практических расчетов. Поэтому часто для расчета газопроницаемости строительных изделий и конструкций используют упрощенную формулу Дарси, хотя она описывает лишь перенос газа через стенку:

V = K_r.А. τ.Δр/δ,

где V — объемный или массовый поток газа в единицу времени, м³/c или кг/с;

K_r — коэффициент газопроницаемости. Для объемной газопроницаемости — м²/Па^.с;  для массовой — кг/м^.Па^.с;

А — площадь сечения потока, м²;

τ — время протекания процесса, с;

δ — глубина проникания газа, м.

Δр – Разность давлений газа на входе и выходе из поры, Па^.с.

Коэффициент газопроницаемости фактически является той физической константой для каждой пористой структуры, которая оценивает ее способность, при определенных условиях, пропускать газ.

При расчете строительных конструкций учитывают газопроницаемость структуры материалов через сопротивление воздухопроницанию.

Паропроницаемость

Паропроницаемость является разновидностью газопроницаемости с той лишь особенностью, что пар способен в зависимости от условий изменять свое агрегатное состояние, т.е. конденсироваться, вытесняя газовую фазу, и значительно изменять свойство структуры. В табл. 3.6. приведены данные о сопротивлении паропроницаемости некоторых материалов.

Паропроницаемость, как характеристику структуры рассматривают в двух аспектах:

- материаловедческом — защита структуры и конструкции в целом от разрушительного действия конденсата;

- теплофизическом — решение проблемы создания надлежащего телловлажностного режима помещения.

 Таблица. 3.6. Сопротивление паропроницанию некоторых строительных материалов

Материал	Толщина слоя, мм	Сопротивление паропроницанию, м2.ч.Па/мг
Плиты древесноволокнистые, твердые	10	0,11
Листы гипсовые (сухая штукатурка)	10	0,12
Пергамин кровельный	0,4	0,33
Толь кровельный	1,9	0,4
Рубероид	1,5	1,1
Пленка полиэтиленовая	0,16	7,3

 В обоих случаях устраивают так называемую пароизоляцию с внутренней стороны ограждающих конструкций, в частности наружных стен и покрытий здания, из газопаронепроницаемых материалов. Качество таких материалов характеризуется сопротивлением паропроницанию R_n в м^2.ч^.Па^.с/мг.

 Водопроницаемость

Водопроницаемость - способность пористой структуры про­пускать воду (жидкие среды) под давлением. Как характеристика структуры водопроницаемость аналогична газопроницаемости и подчиняется тем же законам течения жидкости под давлением.

Методы определения водопроницаемости позволяют полнее су­дить о характере пористой структуры.

Определение водопроницаемости сухих и предварительно на­сыщенных образцов дает близкие по значению конечные результа­ты. Однако в первом случае по кинетике проницания воды, характе­ризуемой изменением электропроводности, можно судить об анизо­тропии пор, для чего водопроницаемость измеряют в трех взаимно перпендикулярных направлениях, тогда как во втором - такой вывод сделать невозможно.

Фактор анизотропии выражается среднеквадратичным отклоне­нием а выборочной дисперсии коэффициентов водопроницаемости

в трех направлениях  (к_ь к₂, к₃), отнесенных к его среднему значению Кс_Р:

К_аниз = σ/ Кс_Р

Чем ниже значение этого фактора, тем меньше степень анизо­тропии структуры. Для изотропной структуры он равен нулю.

Значение водопроницаемости одной и той же структуры значи­тельно ниже, чем газопроницаемости. Это можно объяснить рядом причин:

- значительным различием величин вязкости жидкостей и газа;

- возможным образованием застойных зон жидкости вследствие отрыва вязкой жидкости в процессе обтекания твердого тела;

- уменьшением фильтрации жидкости, связанным с действием электростатических сил между жидкостью и твердой фазой.

Свойство, обратное водопроницаемости, - водонепроницае­мость. Характеризует структуру плотных материалов, работающих в условиях непосредственного контакта с водой (например, гидро­технический бетон). Такие материалы подразделяются на классы по водонепроницаемости (W2, W4, W6, W8, W12). Цифра показывает величину давления воды в кгс/см², при котором образец - цилиндр высотой 15 см не пропускает воду.         

  Особенности структуры поверхностного слоя.

Структура поверхностного слоя искусственных строительных материалов, как правило, отличается от структуры внутренних слоев по двум причинам. Первая, атомы и молекулы, расположенные на поверхности, имеют избыточную энергию по сравнению с частицами, расположенными внутри материала.  Вторая, поверхностный слой постоянно взаимодействует с окружающей средой, благодаря чему он претерпевает постоянные изменения, как в процессе изготовления изделий, так и в процессе их эксплуатации.

Избыточная энергия поверхностного слоя возникает вследствие того, что каждая частица на поверхности твердого тела и жидкости имеет некомпенсированные химические связи, которые образуют на поверхности несимметричное силовое поле. Это силовое поле втягивает поверхностные частицы во внутрь материала, создавая на поверхности напряжение сжатия. Поверхностный слой, таким образом, постоянно находится в упруго-напряженном состоянии, а его частицы обладают значительно большим запасом потенциальной энергии, чем частицы внутреннего слоя. Благодаря этому частицы поверхностного слоя более активно реагируют с окружающей средой, более активно вступают в химические реакции.

Величина энергии поверхностного слоя прямо пропорциональна энергии химической связи данного материала и зависит от параметров окружающей среды. Так, например, поверхностная энергия твердого тела на границе с жидкостью, которая его смачивает, уменьшается на величину, равную силе взаимодействия поверхностных частиц с жидкостью.

Большое влияние на строение и поверхностных, и внутренних слоев материала оказывают примеси, смачивание поверхности активными жидкостями, диффузионные процессы.

Примеси оказывают не однозначное влияние на свойства внешних и внутренних слоев. Если примеси имеют меньшую поверхностную энергию, чем материал, то они равномерно распределяются по поверхности, уменьшая его энергию. Если большую, - то концентрируются на отдельных участках поверхности или перемещаются во внутренние слои материала, где могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на его свойства.

Смачивание имеет большое значение при формировании композиционных материалов, искусственных строительных конгломератов (по определению Рыбьева). Смачивание компонентов искусственных смесей необходимо для уменьшения энергии поверхностей твердых составляющих, что позволяет получать более плотные их упаковки в искусственных конгломератах.

Диффузия представляет собой самопроизвольное перемещение частиц вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентрации этих частиц в объеме газа, жидкости, твердого тела. Перенос частиц методом диффузии мы наблюдаем при получении - обжиге строительной керамики, глазуровании керамических плит, получения фарфора и пр. Высокая прочность фарфора не в малой степени определена диффузией расплава в направлении кристаллической части материала, в результате чего уплотняется структура и упрочняется зона контакта.          

    

 Взаимосвязь основных свойств

Так как свойства материала являются производными от его со става, химических связей и структуры, то они взаимосвязаны и находятся в равновесии. Известно, что при изменении какого-либо одного свойства под действием каких-то факторов в большей или меньшей степени изменяются и другие свойства материала. В строительном материаловедении хорошо известны такие зависимости, как плотность — теллопроводность, плотность — прочность, теллопроводность — электропроводность упругость — пластичность и др.