1.1 Физические свойства: плотность, пористость, водопоглощение,

морозостойкость

Для строительных материалов это самые важные свойства, характеризующие материал. Зная плотность, можно предполагать, какая будет прочность, теплофизические свойства, морозостойкость.

Определяют плотность как массу единицы объёма, как правило, это масса 1 см³ или 1 м³.

Если взвесить единицу объёма пористого и абсолютно плотного этого же материала, то получим разные массы, и разница будет тем больше, чем больше пор в материале. Поэтому в строительной практике различают плотность истинную, когда материал уложен в абсолютно плотном объёме, поры отсутствуют, между частичками твёрдого тела нет промежутков (г/см³):

Плотность материала в единице объёма с порами и неплотностями характеризует среднюю плотность или, как её раньше называли, объёмной массой (г/см³):

Если материал без пор и неплотностей, его средняя плотность равна истинной. Так, у металлов, стекла, плотных пластиков, глубинных каменных пород истинная плотность равна средней. У пористых материалов часть объёма занимают поры, поэтому масса меньше. Объём в естественном состоянии равен объёму твёрдого тела и объёму пор (см³):

Для сыпучих материалов определяют насыпную плотность, когда единица объёма заполнена зернистыми или порошковыми материалами, в зёрнах которых могут быть поры, а могут и не быть, но всегда есть воздушные прослойки между зёрнами, например, ёмкость с цементом, песком или щебнем. В этом случае между сыпучими зёрнами или частичками остаются неплотности – пустоты и поэтому насыпная плотность всегда меньше средней и тем более истинной плотности.

Она обозначается в тех же единицах – г/см³ или кг/м³:

Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности воды. Как правило, она соответствует средней плотности:

Пористость общая материала определяется как отношение объёма пор к объёму материала в естественном состоянии, обозначается в долях единицы или в %:

Если объём пор не известен, общую пористость определяют по плотности. Для этого необходимо знать истинную и среднюю плотности:

где отношение плотности истинной к средней есть коэффициент плотности:

Пористость вместе с коэффициентом плотности составляют одно целое, единицу:

В материале поры могут быть открытые и закрытые, обособленные, куда вода при погружении в неё материала проникнуть не может. Как узнать, есть такие поры или нет?

Легко определить открытую пористость, погрузив материал в воду. И, зная общую пористость, определяют закрытую по разности:

.

Открытую пористость определяют по водопоглощению. Она равна водопоглощению по объёму, которое вычисляют по разнице масс влажного и сухого материала:

Чем больше в материале закрытых пор, тем меньше влаги может удерживать материал при намокании, тем будет выше его морозостойкость и теплоизоляционные свойства.

По открытым сообщающимся капиллярам вода заполняет поровое пространство, снижая теплоизоляцию, морозостойкость и даже прочность.

Водопоглощение обозначают буквой W и определяют как по объёму ( равно ), так и по массе . По массе определяют и влажность материалов в %:

Отношение . Водопоглощение по массе может быть и больше пористости, но по объёму не может превышать пористость.

По количеству поглощенной воды вычисляют коэффициент насыщения, равный отношению водопоглощения по объёму к общей пористости материала:

Открытая пористость специально создаётся, если нужен звукогасящий материал, когда звуковая волна ослабевает в лабиринте капилляров. Для этой цели материалы специально перфорируют, создают открытую пористость. Для теплоизоляции, наоборот, нужны закрытые поры с неподвижным воздухом, так как у воздуха самая низкая теплопроводность.

Чем больше в материале пор или чем тоньше помол материала, тем больше становится его поверхность контакта с воздухом – удельная поверхность (поверхность в см², приходящаяся на 1 г вещества), оказывающая значительное влияние на свойства материала. Чем выше удельная поверхность, тем выше сорбционные свойства материала – способность поглощать влагу из воздуха и при охлаждении образовывать конденсат. Это свойство называют гигроскопичностью, а такие материалы – гигроскопичными.

Сорбция или адсорбция возникает у любого материала в силу ненасыщенности энергией крайних молекул твёрдого тела, но у плотных материалов или крупнопористых с незначительной удельной поверхностью сорбционные способности незначительны. У гигроскопичных материалов, например, у древесины во влажном воздухе влажность может возрасти до 30%, у ячеистых бетонов – до 7-8%, что отразится на теплопроводности (если материалы не будут высыхать).

Чем тоньше капилляры, тем выше по ним может подняться влага и увлажнить конструкцию. Такое явление называют капиллярным всасыванием. Оно опасно для стен, поэтому между фундаментом и стеной всегда кладут гидроизоляционный материал.

Влага в материал может попасть 3 способами: с помощью капиллярного всасывания; с помощью капиллярной фильтрации или водопроницаемости, когда вода давит сверху; с помощью капиллярной конденсации, когда адсорбированная влага в виде пара внутри стены при понижении температуры превращается в воду и может там замёрзнуть.

Насыщаясь влагой и при изменении её в воздухе, высыхая, материал испытывает влажностные деформации, происходит усадка, при насыщении влагой – набухание. Чередование высыхания и увлажнения пористых материалов сопровождается попеременными деформациями, ускоряющими растрескивание и разрушение материала.

Чем больше может материал поглотить влаги, тем больше он имеет усадку, тем больше пострадает его структура при высыхании и при замерзании в насыщенном водой состоянии.

Усадка для некоторых строительных материалов (мм/м):

древесина (поперёк волокон)	30-100;
ячеистый бетон	1-3;
строительный раствор	0,5-1;
кирпич	0,03-0,1;
тяжёлый бетон	0,3-0,7;
гранитный камень	0,02-0,06.

Морозостойкость – способность материала выдерживать попеременное замораживание в насыщенном водой состоянии и оттаивание в воде. Вода при замерзании увеличивается в объёме более чем на 9%, образующиеся кристаллы льда ломают тонкие стенки капилляров, и материал разрушается, отслаивая более насыщенные водой поверхности. Морозостойкость количественно оценивается циклами и обозначается марками: F25, F50, F100, F200, F300 или более, т.е. по тому, сколько циклов замораживания образцы выдержали без потери прочности не более 5% или потери массы не более 3%. Один цикл – это замораживание до полного промерзания образцов и оттаивание их в воде.

Кирпич и пористый бетон имеют небольшую морозостойкость, так как в их структуре мало закрытых пор, много сообщающихся капилляров (большое водонасыщение). А материал, насыщенный водой, имеет низкую морозостойкость.

Насыщенный влагой материал снижает свои теплозащитные свойства. Лучший теплоизолятор в нормальных условиях – это сухой неподвижный воздух, который может находиться в закрытых порах или изолированных ячейках. Все утеплители содержат мелкие закрытые поры. Коэффициент теплопроводности воздуха равен λ = 0,023 Вт/(м°С), тогда как воды – 0,58 Вт/(м°С), льда – 2,3 Вт/(м°С). Поэтому все теплоизоляционные материалы насыщают воздухом, делают ячеистыми или волокнистыми, и их надо защищать от увлажнения.

Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня в течение определённого времени. Это свойство зависит от способности материала воспламеняться и гореть. Строительные материалы по огнестойкости разделены на: несгораемые (кирпич, бетон, сталь, камень), трудносгораемые (асфальтобетон, фибролит, пропитанная антипиренами древесина), сгораемые (древесина, пластики, рубероид). Для некоторых материалов определяют температуростойкость, т. е. температуру, при которой сохраняется работоспособность материала без его деформации. Так, для металлов есть температура текучести, когда начинается размягчение и значительные деформации, – у стали это 600ºС. Конструкция при такой температуре не способна выполнять свои функции. У сплавов алюминия – это 150-200°С.

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) имеет значение при колебаниях температуры для материалов, работающих совместно под нагрузкой. При сезонном или суточном изменении температуры у разных материалов возникают разные деформации. Так, в железобетоне стальная арматура имеет КЛТР 10 · 10^-6 град^-1, такой же коэффициент и у бетона, поэтому они работают синхронно, не отслаиваясь. Если вместо стальной арматуры забетонировать древесину, у которой КЛТР в два раза выше, произойдёт отделение одного материала от другого, конструкция будет слабее, по бетону пойдут трещины. Температурные деформации при суточных колебаниях температуры достигают 0,5-1 мм/м, что особенно нежелательно на линейных многометровых конструкциях, поэтому длинномерные конструкции разрезают температурными или деформационными швами.

При создании новых композиционных материалов этот фактор является одним из условий, обязательных для выполнения. Другим условием является химическая совместимость компонентов: материалы не должны реагировать друг с другом. Так, при армировании цементного бетона стекловолокном, стекло должно быть щелочестойким, тогда стекловолокно будет работать как арматура, а не вступать в химическое взаимодействие с цементным камнем.