17. Фізико-хімічні методи оцінки складу структури та властивостей будівельних матеріалів.

Електрохімічні методи набувають все більшого значення при дослідженні будівельних матеріалів. Ці методи ґрунтуються на електрофізичних і електро­хімічних явищах у відновному середовищі або на міжфазових межах розділу, які виникають внаслідок зміни хімічного складу, концентрації або структури речовин.

Потенціометричний метод базується на вимірі різниці напруги, що виникає при зануренні електродів у розчин. За допомогою потенціометрії можна вивча­ти корозію арматури в залізобетоні, але найчастіше цей метод використовують для вивчення величини рН як суспензій, так і цементних паст. Реєстрація зміни величини рН дозволяє визначати час тужавлення в'яжучих речовин, спостеріга­ти за процесом гідратації, оцінювати корозійну стійкість цементів в агресивно­му середовищі і швидкість корозії арматури й заповнювачів.

Кондуктометричний метод — це метод визначення електропровідності електролітів (систем з іонним типом провідності, які представлені водними й неводними розчинами, колоїдними системами, суспензіями, пастами, розпла­вами). Кондуктометричний аналіз дозволяє не тільки визначати електропровід­ність колоїдних систем (наприклад, в'яжучих речовин, скла, шламів), але може бути використаний при вивченні ступеня насичення капілярно-пористих тіл або кінетики процесів гідролізу, гідратації й розчинення, які мають місце при твер­дінні в'яжучих речовин. Вимірюючи електропровідність, можна контролювати процеси прискореного твердіння будівельних матеріалів (наприклад, під час про­парювання або автоклавної обробки).

Потенціостатичний метод використовують при дослідженні корозії мета­лів (наприклад, корозії сталі у залізобетоні). При проведенні по- тенціостатичного аналізу використовують триелектродний електрохімічний вимірювальний осередок, у якому досліджуваний об'єкт є робочим електродом. Як додатковий використовують пластиковий електрод, за допомогою якого на робочий електрод подається розгорнення за заданим законом. Як електрод по­рівняння використовують насичений хлорсрібний або каломельний електроди. Швидкість корозії визначають за густиною анодного струму при розгорненні потенціалу на дослідженому робочому електроді. На базі цього методу розроб­лено кількісний метод визначення корозійної стійкості арматурної сталі в залі­зобетоні, при якому можна одержати лінійну швидкість зношування (корозії) матеріалу (у мм/год), а також питому вагову швидкість корозії (у мг/м год). Об'єктами потенціостатичних досліджень можуть бути не тільки електропрові­дні будівельні матеріали, але й капілярно-пористі, які здатні поглинати елект­роліти.

Електрокінетичний метод дослідження будівельних матеріалів пов'язаний з визначенням величини потенціалу й аналізом характеру його зміни. За резуль­татами цього аналізу можна робити висновок щодо рухливості й пластичності цементних паст, що твердіють, про періоди коагуляції й тужавлення, про дифу­зійну проникність цементного каменю й механізм його розширення, про реоло­гію в'яжучих речовин.

18. Властивості будівельних матеріалів з позиції їх здатності певним чином реагувати на вплив окремих або сукупних зовнішніх та внутрішніх факторів. Фізичні властивості. Істина та середня густина, пористість, вологість, водопроникність, морозостійкість.

Істинна густина (або просто густина) р — границя відношення маси матеріалу т до об'єму V, коли об'єм стягується в точку, в якій визначають густину тіла (тобто без урахування наявних у ньому пу­стот і пор):

Таким чином, істинна густина — це маса одиниці об'єму матеріа­лу в абсолютно щільному стані.

Майже всі будівельні матеріали мають пористу будову, за винятком; скла, кварцу, ситалу, сталі та деяких інших, які можна вважати «аб­солютно» щільними. Тому, щоб визначити «абсолютний» об'єм випро­бовуваного матеріалу, його висушують до сталої маси й тонко подріб­нюють. Одержаний порошок засипають у спеціальний прилад, запов­нений інертною рідиною (водою або бензином, гасом тощо, якщо мате­ріал реагує з водою), і за об'ємом витісненої ним рідини встановлюють «абсолютний» об'єм матеріалу V_а.

Істинна густина в такому разі, г/см³,

Для рідких та в'язких будівельних матеріалів (рідке скло, роз­чини хімічних добавок тощо) ρ визначають за допомогою ареометра, занурюючи його в рідину й фіксуючи за шкалою показник істинної густини.

Показник ρ— довідкова величина, яка має допоміжне значення для будівельних матеріалів і звичайно застосовується для деяких роз­рахунків.

Середня густина р_т — фізична величина, яка визначається від­ношенням маси т тіла або речовини до всього зайнятого ним (нею) об'єму V, включаючи пори та пустоти: р_т = т/У.

Середня густина найчастіше вимірюється в кілограмах на кубіч­ний метр (кг/м³), проте можна також використовувати одиниці г/см³ і т/м³. У разі потреби середню густину встановлюють для матеріалів, 'що перебувають у будь-якому стані: зволоженому, повітряно-сухому або сухому (тобто висушеному до сталої маси).

Визначаючи середню густину, масу випробуваного матеріалу вста­новлюють зважуванням, а об'єм для зразків правильної геометричної форми — звичайним вимірюванням, неправильної форми (для порис­тих матеріалів—після покриття тонким шаром парафіну або повного «насичення водою) — в об'ємомірі за об'ємом витісненої інертної рідини.

ПористістьП — це ступінь заповненості об'єму будівельного ма- , теріалу порами розміром не більше 1...3 мм. Пористість обчислюють за формулою

У сумі пористість П та коефіцієнт щільності К_щ дають одиницю, або 100 %.

Пористість є важливою характеристикою, оскільки з нею пов'язані такі технічні властивості матеріалу, як міцність, водопоглинання, мо­розостійкість, теплопровідність тощо. Легкі пористі матеріали ма­ють звичайно невелику міцність, щільні (П = 0...0.8 %) — водоне­проникні.

Проте крім кількості пор у матеріалі на його властивості істотно впливає також характер пористості. Матеріали можуть бути велико-пористими з розмірами пор від 1 • 10~ до 3 мм і дрібнопористими з розмірами пор 1 • 10^_2...1 • 10~⁶ мм. Самі пори можуть бути закри­тими, тобто недоступними для заповнення водою, і відкритими.

Відкриту пористість П_в можна визначити відносно сумарного об'є­му всіх пор, що насичуються водою, до загального об'єму матеріалу

де т₂, т₁ — маса зразка відповідно насиченого водою і в сухому стані, г; V — об'єм матеріалу, см³; р_в = 1 г/см³ — густина води при 4 °С.

Закрита пористість

Будівельні матеріали навіть із значною пористістю, але з великими або переважно закритими порами мають невелике водопоглинання і значну морозостійкість, тоді як матеріали з таким самим числовим показником пористості, але з відкритими порами не можуть застосову­ватися в місцях з високою вологістю.

Значення пористості коливаються в широких межах, %: скло, сталь —0, цегла керамічна — ЗО...40, граніт, ліпарит — 0,2...0,8, важкий бетон — 5.,..20, легкий бетон — 35...85, поропласти — 85...95.

Вологість Ш визначається вмістом вологи в порах і на поверхні пор матеріалу за масою або об'ємом в процентах, причому цей вміст значно менший за показник водопоглинання. Вологість матеріалу в будівельних конструкціях залежить від вологості навколишнього се­редовища, атмосферних явищ (дощ, танення снігу). Із зволоженням погіршуються теплозахисні властивості, морозостійкість та інші по­казники. Вологість матеріалу

де т_и т — маси відповідно вологого та сухого матеріалу, г.

Водопроникність — це здатність матеріалу пропускати .крізь себе воду при певному гідростатичному тиску. Ця здатність визначається кількістю води в кубічних метрах, що пройшла крізь одиницю поверх­ні матеріалу за одиницю часу при сталому (заданому) тиску. Водо­проникність характеризується коефіцієнтом фільтрації /Сф, який ви-

мірюється в метрах за секунду й залежить від щільності матеріалу та його будови. До водонепроникних належать «абсолютно» щільні мате­ріали (наприклад, скло), а також практично водонепроникні матеріал» з дуже малими закритими порами (пінополістирол, газоскло).

Показник коефіцієнта фільтрації особливо важливий для матеріа-лів, застосовуваних у гідротехнічному будівництві, для водопроводів, каналізаційних систем, резервуарів, а також для покрівельних мате­ріалів.

Морозостійкість — це здатність матеріалу в насиченому водою стані витримувати багаторазове навперемінне заморожування й від­тавання без зниження міцності при стиску понад 15 % (для деяких матеріалів — до 25 %) і втрати маси не більш як 5 %. Марка за мо­розостійкістю характеризується оптимальним числом циклів замо рзжувания — відтавання, які витримує випробовуваний матераі. На­приклад, цеглу керамічну випускають марок Р15, Р25, Р35, Р50, дорожній бетон —Р50...Р200, а гідротехнічний бетон —до Р500 (циф­ри позначають число циклів).

Довговічність матеріалів у зовнішніх конструкціях, які в процесі

експлуатації зазнають дії води, змінних температур та інших атмос-

• .ферних факторів, значною мірою залежить від їхньої морозостійкості.

Руйнування матеріалів під дією води й морозу можна пояснити таки­ми явищами. Зволоження, наприклад, зовнішніх стін відбувається як ізсередини внаслідок міграції пари від «тепла до холоду» і наступної її конденсації, так і іззовні — дощ, сніг з вітром. Під дією морозів во­да у великих порах замерзає, а як відомо, перетворення води на лід » супроводжується збільшенням об'єму приблизно на 9 %, що спричи­нюється до виникнення тиску на стінки пор, який становить 210 МПа при температурі —20 °С. При цьому в матеріалі з'являються внут­рішні напруження, які можуть призвести до його руйнування, особ­ливо, якщо коефіцієнт водопоглинання наближається до одиниці, тоб­то всі пори відкриті.

Щоб визначити морозостійкість, зразки матеріалу насичують во­дою, а далі піддають навперемінному заморожуванню при температу­рі —15...—20 °С і відтаванню у воді температурою +15. ..+20 °С до певного числа циклів, установленого нормативними документами, або до початку руйнування зразка.

Найбільш морозостійкими є щільні матеріали з низьким водопо-глинанням, однорідні за структурою і такі, що мають високий коефі­цієнт розм'якшення. Управляючи капілярно-пористою структурою матеріалу в процесі виготовлення й застосовуючи поверхнево-активні речовини (ПАР), можна регулювати його морозостійкість. Пористі матеріали вважаються ще морозостійкими, якщо ступінь заповненості водою всіх доступних пор (відкриті пори) становить 80...85 %. Кое­фіцієнт розм'якшення морозостійких матеріалів має бути не нижчим ніж 0,9.

19. Теплопровідність Коефіцієнт теплопровідності. Які властивості будівельного матеріалу впливають на показники його теплопровідності. Теплоємність. Теплостійкість. Температурний коефіцієнт лінійного розширення.

Теплопровідність — це здатність матеріалу передавати теплоту від однієї поверхні до іншої за наявності різниці температур на цих поверхнях. Така здатність характеризується коефіцієнтом теплопро­відності, Вт/(м • К),

де — поверхнева густина теплового потоку, Вт/м^а; б — товщина ма­теріалу, м; АТ — різниця температур на ділянці завтовшки б, К.

Значення коефіцієнта теплопровідності залежить від ступеня по­ристості й характеру пор, структури, вологості, температури, а та­кож від виду матеріалу. Найсильніше на теплопровідність впливає пористість. Чим менша середня густина матеріалу, тим більше в ньо­му пор, наповнених повітрям. З усіх природних та штучних речовин повітря має найменшу теплопровідність [А,_ПОв = 0,023 Вт/(м • К)], то­му коефіцієнт теплопровідності сухих легких пористих матеріалів не­великий і має проміжнедначення між Я твердої речовини та повітря.

Проте показник теплопровідності залежить не лише від кількості, а й від величини та форми пор. Будівельні Матеріали з дрідними й закритими порами менш.теплопровідні, тоді як матеріали з великими та сполученими порами характеризуються вищим коефіцієнтом теплопро­відності, оскільки в таких порах виникає рух повітря, що супроводжу­ється перенесенням теплоти (конвекція).

Слід враховувати, що матеріали одного й того самого походження, але різного структурного складу можуть мати різні коефіцієнти теп­лопровідності. Так, волокнисті матеріали мають неоднаковий коефі­цієнт теплопровідності в різних напрямах. Наприклад, для соснової деревини, якщо тепловий потік напрямлений вздовж волокон, то X = = 0,19 Вт/(м • К), а якщо впоперек, то X = 0,44 Вт/(м • К). Тепло­провідність кристалічних речовин вища, ніж аморфних. Наприклад, та­кі щільні мінеральні матеріали, як граніт і скло із середньою густи­ною майже 2700 кг/м³, значно різняться за коефіцієнтом теплопро­відності: для граніту (кристалічний матеріал) X = 2,8 Вт/(м ■ К), для скла (аморфний матеріал) X = 0,8 Вт/(м • К).

Зміна вологості будівельних матеріалів істотно позначається на їхній теплопровідності. Оскільки для води К_в = 0,58 Вт/(м • К)> тоб­то у 25 разів більше, ніж для повітря, то пори, заповнені водою, лег­ше припускають тепловий потік, і коефіцієнт теплопровідності водо-насич^них матеріалів підвищується. Залежність X від вологості мож­на подати формулою

де Х<& і Х_с — коефіцієнти теплопровідності відповідно вологого й су­хого матеріалу, Вт/(м • К); АХ — приріст коефіцієнта теплопровід­ності, %, на кожний процент збільшення № (для мінеральних матері­алів АХ = 0,0023 при додатних температурах і 0,047 — при від'єм­них; для органічних матеріалів АХ дорівнює відповідно 0,0035 і 0,47); И? — вологість матеріалу, % за об'ємом.

Теплопровідність насичених водою й заморожених матеріалів ще вища, оскільки теплопровідність льоду приблизно в чотири рази біль­ша, ніж води: А-льоду = 2,3 Вт/(м • К). Отже, коли матеріали для_ теп­лової ізоляції використовуються в місцях з підвищеною вологістю, слід передбачити гідроізоляцію їх.

Певна зміна коефіцієнта теплопровідності відбувається також під дією температури, при якій передається тепловий потік. Цю зміну X можна подати формулою,

де Хт і Х₀ — коефіцієнти теплопровідності відповідно при температурі Т і нульовій, Вт/(м • К); а — зміна коефіцієнта теплопровідності при зміні температури на один градус, Вт/(м • К); Т — температура ма­теріалу, к.

Зауважимо, проте, що виняток становлять метали, для яких з під­вищенням температури коефіцієнт теплопровідності дещо знижуєть­ся на відміну від інших видів будівельних матеріалів, де X підвищується. Це збільшення має велике значення для матеріалів, застосову­ваних для теплової ізоляції пічних агрегатів, паропроводів тощо.

Теплопровідність будівельних матеріалів визначають у лабора­торіях за допомогою спеціальних приладів та установок. Проте, вра­хувавши загальну залежність Я від р_т і скориставшись емпіричною формулою проф В. П. Некрасова, можна орієнтовно визначити коефі­цієнт теплопровідності для повітряно-сухих (з природною вологістю 1...7 %) матеріалів мінерального походження:

де (3 — відносна густина.

Теплоємність — це здатність матеріалу під час нагрівання погли­нати теплоту. Вона характеризується питомою теплоємністю (кое­фіцієнтом теплоємності), тобто кількістю теплоти, необхідної для нагрівання одиниці маси на один градус, Дж/(кг • К):

де <2 — кількість теплоти, необхідної для нагрівання матеріалу, Дж; т — маса матеріалу, кг; і₂ і і_х — відповідно кінцева та початкова тем­ператури нагрівання, К-

Теплоємність матеріал і вмає велике значення в тих випадках, коли потрібно враховувати акумуляцію теплоти огороджувальними конст­рукціями з метою збереження температур без різких коливань у при­міщенні або в тепловому промисловому агрегаті при зміні теплового режиму. Це буває, наприклад, коли розраховують й конструюють теп­лостійкі огородження (стіни, перекриття, печі) або розраховують пі­дігрівання матеріалів для зимового бетонування тощо.

Питому теплоємність для багатошарових конструкцій розрахову­ють за формулою

де піц т₂, т_п — маси окремих шарів, кг; с_х, с₂, с_п — питомі теплоєм­ності цих шарів, Дж/(кг • К).

Із зволоженням питома теплоємність матеріалу збільшується, ос­кільки теплоємність води велика й становить 4,2 кДж/(кг • К).

Для огороджувальних конструкцій житлових та опалюваних бу­дівель вибирають матеріали з невеликим коефіцієнтом теплопровід­ності, але з вищою питомою теплоємністю.

Питома теплоємність кам'яних природних і штучних матеріалів становить 0,76...0,92 кДж/(кг • К), скла — 0,67, сталі —0,48, алю­мінію — 0,87 кДж/(кг • К). Деревні та інші органічні матеріали ма­ють вищий коефіцієнт теплоємності, наприклад деревина (суха) — 2,7...3,0 кДж/(кг • К). Тому дерев'яні стіни акумулюють більше теп­лоти, ніж кам'яні, а згодом можуть віддавати її всередину приміщення.

Теплостійкість — це здатність матеріалу витримувати нагрівання до певної температури (нижчої за температуру плавлення) без пере­ходу в пластичний стан. Деякі будівельні матеріали мають низьку теплостійкість. Наприклад, бітуми розм'якшуються при Т = 45 ... 90 °С, полімерні матеріали при—Т = 80... 180 °С, скло «розсклову-ється» при Т = 750...900 °С. Багато з нетеплостійких матеріалів, охо­лоджуючись, набувають попереднього структурного стану. Знати теп­лостійкість потрібно для того, щоб визначати температурні режими екс­плуатації будівельних матеріалів.

Температурний коефіцієнт лінійного розши­рення (ТКЛР) характеризує видовження 1 м матеріалу під час нагрі­вання на один градус і вимірюється в метрах на кельвін (м/К).

Температурний коефіцієнт лінійного розширення має особливе значення для тих матеріалів, які під час експлуатації зазнають на­грівання й охолодження. Оскільки деформації матеріалу в конструк­ціях при розширенні можуть бути досить значними, у спорудах ве­ликої протяжності потрібно передбачати деформаційні шви.

Показники ТКЛР деяких будівельних матеріалів, м/К: алюміній — 25,5 • 1(Г⁶; сталь —(11,0... 11,9) • 1(Г⁶; бетон - (10...14) • 10^_6; гра­ніт— (8...10) • 10~⁶; скло — (8,5...9,7) • 10^_6; деревина вздовж во­локон— (3...5) • 10~⁶.

Для деяких силікатних матеріалів характерна вогнева усадка, тоб­то здатність змінювати свої розміри та об'єм внаслідок спікання чи оплавлення частинок під дією високих температур.