4. Теплофизические свойства строительных материалов

Свойства материалов в условиях, связанных с изменением температуры окружающей среды, относятся к теплофизическим. Они важны для жаростойких и теплоизоляционных материалов, для материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих и набирающих свою прочность при тепловой обработке.

Теплопроводность - это способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство оценивается количеством тепла, проходящим через образец толщиной 1 м, площадью поперечного сеченая 1 м² при разности температур в 1°С за единицу времени и характеризуется коэффициентом теплопроводности, вычисляется по формуле:

λ= Qδ/F/t₂-t₁/τ, Вт/м°С, 11

где Q - количество тепла, проводимое материалом, Вт; δ - толщина образца, м; F - площадь поперечного сечения, м²; t₂-t₁- градиент температур на поверхностях материала, °С; τ - время проведения испытания, с.

Теплопроводность - одна из определяющих характеристик качества стеновых и теплоизоляционных материалов. С увеличением таких свойств как влажность и плотность теплопроводность материалов повышается, а увеличение пористости ведет к ее снижению. Современные методы измерения теплопроводности основываются на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Измерения по соответствующим методикам можно производить в широком диапазоне температур: от 20 до 700 °С.

Огнестойкость - способность материалов и изделий сохранять физико-механические свойства под действием огня и высоких температур. Огнестойкость строительных материалов и изделий определяют по степени возгорания при помощи методов огневой трубы и коллометрии. По степени огнестойкости материалы делят на три группы:

• несгораемые, которые под действием огня и температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (природный камень, кирпич, бетон);

• трудносгораемые - под действием огня и температур обугливаются, тлеют и с трудом возгораются, но после удаления источника огня их тление и горение прекращается (асфальтобетон, цементированный фибролит);

- сгораемые материалы - горят или тлеют под воздействием огня и высоких температур, продолжают гореть после его устранения (органические вещества, древесина, рубероид).

Следует учитывать, что при длительном действии огня некоторые материалы (известняки, мрамор, гипс) могут разлагаться или деформироваться. Для повышения огнестойкости строительных материалов применяют различные огнезащитные покрытия, в том числе и краски, некоторые из которых выполняют также функцию отделочного покрытия.

1.6. Механические свойства строительных материалов

Механические свойства строительных материалов имеют решающее значение для строительных изделий и конструкций, работающих под действием нагрузок. Длительные внешние нагрузки вызывают деформацию либо разрушение материала. Сопротивление материала механическому разрушению характеризуется их прочностными показателями: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлению удару, износу. Механические свойства непосредственно связаны со структурой материала, силами сцепления между частичками, а также особенностями их теплового движения.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами. Мерой прочности материалов является предел прочности - наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается.

Предел прочности при сжатии или растяжении (МПа, кг/см²) равен отношению разрушающей силы к площади поперечного сечения образца, подвергающегося испытанию и вычисляется по формуле:

R_c = Р_разр./F, 12

R_рас = Р_разр./F, 13

где Р_разр. - разрушающая нагрузка, кг; F- площадь поперечного сечения, см²

Предел прочности при изгибе материала прямоугольного сечения и при одной сосредоточенной нагрузке в его середине вычисляют по формуле:

R_изг=3Pl/2bh², кг/см², Мпа 14

где Р_разр. - разрушающая нагрузка, кг; l - расстояние между опорами, мм; b и h- ширина и высота поперечного сечения образца, мм.

Для определения прочностных характеристик строительных материалов используются как разрушающие так и неразрушающие методы. При разрушающих методах применяются гидравлические и механические пресса, разрывные машины и другое оборудование. Скорость приложения нагрузки должна быть не более 10 кг/с. В зависимости от характера нагрузки (сжатие, изгиб, растяжение, кручение и пр.) и вида материалов в соответствии с требованиями нормативных документов испытывают образцы определенных форм и размеров, проводят необходимую подготовку к испытаниям, создают определенные условия твердения, набора прочности и проведения испытаний.

Ряд неразрушающих методов (ударные молотки, маятниковые приборы, радиометрические и ультразвуковые методы) связан с оценкой пластических деформаций в испытуемом материале как после ударных воздействий, так и при определении скорости распространения ультразвукового импульса и интенсивности его затухания.

Прочность материала определяется, главным образом, его структурой. Такие материалы как гранит и бетон сравнительно хорошо сопротивляются сжатию, но намного хуже изгибу и растяжению. Материалы из древесины и металла хорошо сопротивляются прочности при сжатии, изгибу и растяжению. Вместе с тем структура древесины определяет ее анизотропность, в результате значения пределы прочности вдоль и в поперек волокон существенно отличаются.

Твердость - свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. Твердость ряда строительных материалов (металл, бетон, древесина, строительный раствор) определяют вдавливанием в них закаленного стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. В результате испытания вычисляют число твердости, равное отношению силы вдавливания к площади поверхности с другими видами прочности, она зависит отпечатка. Твердость минералов и однородных горных пород оценивают по шкале Мооса, содержащей десять минералов, из которых каждый последующий оставляет царапину на всех предыдущих. Минералы шкалы расположены в порядке возрастания твердости: от 1 (для талька) до 10 (алмаз). Прочность по твердости самая высокая по сравнению от химического состава, состояния поверхности, энергии кристаллической решетки. Однако высокая прочность не всегда говорит о высокой твердости материала: мрамор прочен, но сравнительно не тверд, пластмассы прочны, но не тверды, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а по твердости намного уступает ему и т.д. Чем выше твердость, тем ниже истираемость материала.

Истираемость - свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Истираемость вычисляет по формуле:

И=(m₁-m₂)/S, г/см² 15

где: m₁-m₂ – масса образца до и после истирания, г; S - площадь истирания, см².