3.1.2. Физические свойства

Строительные материалы обладают комплексом физических свойств, т. е. способностью реагировать на воздействие физических факторов —гравитационных, тепловых, водной среды, акустиче­ских, электрических, излучения (ядерного, рентгеновского и др.). Ниже рассмотрены некоторые свойства, методы и приборы для их оценки в числовых показателях.

Средняя плотность характеризует массу единицы объема мате­риала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная фи­зическая характеристика определяется путем деления массы т об­разца на его объем уо и выражается ρ₀ = m/ν ₀ в г/см³, кг/м³ или кг/дм³. Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные прие­мы измерения объема образцов и неправильной формы. При влаж­ных образцах отмечается величина влажности, при которой опреде­лялась средняя плотность.

Среднюю плотность рыхлых материалов, например песка, щеб­ня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отража­ется влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзер­новых пустот в рыхлом насыпанном объеме материала.

Истинная плотность — масса единицы объема однородного ма­териала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоя­нии. Определяется как отношение массы т материала, выраженной в г или кг, к объему v его в абсолютно плотном состоянии: ρ = m/ν. Размерность истинной плотности г/см³, кг/м³.

Величина ρ, как правило, больше ρ₀, так как подавляющее коли­чество материалов содержат поры, трещины, каверны.

Пористость — степень заполнения объема материала порами: определяют ее по формуле П = [(ρ – ρ₀)100]/ρ (в %).

Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим раз­мерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением спе­циальных методов: сорбционного, ртутной порометрии, капилляр­ного всасывания и др.

Величина пористости и размер пор в значительной мере влияют на прочность материала. При одном и том же веществе строитель­ный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, уси­лиям другого происхождения (тепловым, усадочным и др.), чем бо­льше пор в его объеме. Для некоторых разновидностей материалов существуют ярко выраженные зависимости. Так, например, чем ме­ньше средняя плотность (больше пористость), тем меньше проч­ность материала. В самом общем виде зависимость прочности от пористости выражена формулой: R_n = R₀(1—АП), где R_n и R₀ -прочности соответственно пористого и беспористого материала; А — коэффициент структуры, отражающий ее пористость; П — об­щая пористость материала (вещества) в долях единицы. Наимень­шее значение коэффициента А = 1,0—1,1 соответствует оптималь­ным структурам с содержанием пор П до 0,02—0,03. Формула показывает возможность приближения значений R_n и R₀ путем изме­нения структуры материала (вещества).

Известны многочисленные эмпирические формулы, полученные 13 опытных данных применительно к различным материалам, в той или иной мере воспроизводящие указанную выше зависимость R_n = f(П). Опытные данные показывают, что при увеличении порис­тости от нуля до 20 % прочность снижается почти линейно. Впрочем возможны и «аномалии», особенно среди обжиговых ИСК, когда прочность повышается с повышением пористости, например при обжиге шпинелидных огнеупоров.

От пористости зависят и другие качественные характеристики, например способность проводить теплоту и звук, поглощать воду. От пор отличаются полости в структуре, именуемые пустотами. Они значительно крупнее пор, отчетливо видны и расположены между зернами насыпного материала. В отличие от пор вода в пустотах, особенно в широкополостных, не задерживается.

На величину прочности влияют и размеры пор. Она возрастает с уменьшением размера пор. Мелкозернистые материалы и, следова­тельно, мелкопористые, имеют повышенную прочность по сравне­нию с крупнозернистыми. При этом в меньшей мере снижают проч­ность закрытые поры, а не открытые, сквозные, обычно по своей форме остроконечные. Имеет значение и местоположение пор. В крупных зернах заполнителя они для прочности менее опасны по сравнению с порами в вяжущей, матричной части конгломерата или расположенными в пограничных зонах, нередко именуемыми как структурные поры материала. Прочность зависит также от прочнос­ти связующей фазы и межфазовой адгезии.

При воздействии статических или циклических тепловых факто­ров материал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуроустойчивостью, огнестойкостью и другими теплофизическими свойствами.

Теплопроводность — способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свой­ство характеризуется теплопроводностью X, которая показывает ко­личество теплоты, проходящее через плоскую стенку толщиной 1 м и площадью 1 м² при перепаде температур на противоположных по­верхностях в 1°С в течение 1 ч. Величина λ имеет размерность Вт/(м∙К) и может служить убедительной сравнительной характери­стикой при оценке теплозащитных свойств различных изотропных материалов в одномерном температурном поле. Она зависит, глав­ным образом, от пористости материала: содержащийся в порах воз­дух, особенно в замкнутых порах, является малотеплрпроводной средой. Воздух при атмосферном давлении и температуре +20°С имеет теплопроводность λ = 0,023 Вт/(м∙К), а при температуре +100°С — 0,0306 Вт/(м∙К), при 1000°С — 0,0788 Вт/(м∙К).

С повышением температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется повыше­нием кинематической энергии молекул, слагающих вещество мате­риала: λ_t = λ₀ (1 + βt), где λ_t и λ₀ — теплопроводность соответствен­но при температурах t и 0°С; β — температурный коэффициент, который показывает величину приращения коэффициента тепло­проводности материала при повышении температуры на 1°С; t -температура материала, °С. Эта формула справедлива только при температурах не выше t = 100°С; при более высоких значениях t ве­личину λ_t определяют опытным путем.

С увлажнением теплопроводность материала возрастает, так как теплопроводность воды при 20°С равна 0,590 Вт/(м∙К), а при 100°С — 0,656 Вт/(м∙К). Если в порах вода замерзает, то теплопроводность материала еще больше увеличивается, поскольку лед имеет λ = 2,1, т. е. в 4 раза больше, чем вода. В справочной литературе приводятся значения λ различных строительных материалов в сухом состоянии при 20°С; они используются при тепловых расчетах, и для решения практических задач. В качестве примеров следует отме­тить, что гранит имеет теплопроводность 3,2—3,5, а кирпич керами­ческий 0,80—0,85; бетон тяжелый — 1,0—1,5; минеральная вата, применяемая как утеплитель, — 0,06—0,09; мипора — 0,04— 0,05 Вт/(м∙К) и т. д. Следует отметить, что упомянутые материалы являются гетерогенными системами и в их отношении удобнее для практики квалифицировать так называемую эффективную тепло­проводность. Она слагается из процессов передачи теплоты через конденсированные (твердые) фазы, поры (газы) и границы пор с твердым веществом. Эффективная теплопроводность твердых тел равна сумме этих процессов, определяемых экспериментально.

Теплоемкость характеризует способность материала аккумули­ровать теплоту при нагревании, причем с повышением теплоемко­сти больше может выделяться теплоты при охлаждении материала. Температура в комнате, например, может сохраняться устойчивой более длительный период при повышенной теплоемкости исполь­зованных материалов для пола, стен, перегородок и других частей помещения, поглощающих теплоту в период действия отопитель­ной системы. Это свойство материала оценивается с помощью так называемой удельной теплоемкости, которая показывает количест­во теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°С. Различают истинную теплоемкость при данной температуре и среднюю — в интервале температур. Удельную теплоемкость С иначе называют коэффициентом теплоемкости и численно опреде­ляют из выражения

(3.2)

где Q — количество теплоты, затраченное на нагревание материала; т — масса материала, кг; t₂ – t₁ — разность температур материала до и после нагревания, °С. Ее размерность Дж/(кг∙К).

Коэффициент теплоемкости воды равен 4,2∙10³ Дж/(кг∙К). Стро­ительные материалы в сухом состоянии имеют более низкие значе­ния этого коэффициента, например, каменные материалы (естест­венные или искусственные) — от 0,75∙10³ до 0,94∙10³, лесные материалы — от 2,42∙10³ до 2,75∙10³ Дж/(кг∙К), сталь — 0,5∙10³ Дж/(кг-К) и т. п. С увлажнением материала коэффициенты теплоемкости возрастают, вместе с тем возрастают и значения теп­лопроводности. Иногда требуется знать величину удельной объем­ной теплоемкости, например при расчете размеров печи. Под этой характеристикой понимается количество теплоты, необходимое для нагревания 1 м³ материала на 1°С.

Показатели теплопроводности и теплоемкости позволяют опре­делять величину так называемого коэффициента теплоусвоения, ха­рактеризующего способность материала воспринимать теплоту при колебаниях температуры окружающей среды. В формулу для под­счета коэффициента теплоусвоения кроме упомянутых двух тепло-физических значений входят также величины средней плотности и периода колебания температуры.

Огнестойкость характеризует способность строительных мате­риалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгора­емые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые ма­териалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например, гранит), особенно при одновремен­ном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров. Труд­носгораемые материалы под воздействием высоких температур тле­ют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. К таким материалам относятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгорае­мые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействи­ем огня или высокой температуры, причем горение или тление про­должается также после удаления источника огня. Среди них – древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкоснове­ние с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а матери­ал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорными являются шамот, ди­нас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промыш­ленных печей.

Материалы, способные длительное время выдерживать воздей­ствие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с час­тичной потерей прочности, относят к жаростойким, например, жа­ростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы и др.

Температуростойкость или термостойкость — способность вы­держивать чередование (циклы) резких тепловых изменений, неред­ко с переходом от высоких положительных к низким отрицатель­ным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и способности каждого компонента к тепловым рас­ширениям. Последняя характеризуется коэффициентом теплового расширения — линейным или объемным. Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1°С, а объемный характеризует увеличение объема 1 м³ материала при на­гревании его на 1°С. Чем меньше эти коэффициенты и выше одно­родность материала, тем выше Температуростойкость, большее ко­личество циклов резких смен температуры материал может выдержать без нарушения сплошности. Для цементного бетона ли­нейный коэффициент теплового расширения равен (10—14) ∙10^-6, для древесины вдоль волокон (3—5) ∙10^-6, для стали (11—12) ∙10^-6. Терми­ческое расширение является упругим, и оно полностью обратимо. В основе возможного разрушения структуры лежат явления, под влия­нием которых в материале возникают напряжения. Они возникают либо вследствие градиента температур, либо под влиянием изотро­пии теплового коэффициента линейного расширения. В обоих слу­чаях возникновение и развитие напряжений связано с отсутствием условий для свободного изменения объема материала в элементах конструкции.

Отношение материала к статическим или циклическим воздейст­виям воды или пара характеризуется величинами водопоглощаемости, гигроскопичности, водопроницаемости, паропроницаемости, водостойкости. Эти важные физические свойства учитывают при работе материалов в условиях воздействия водно-паровой среды.

Водопоглощаемостъ — способность материала впитывать и удерживать воду. Процесс впитывания воды в поры называется водопоглощением и в лабораторных условиях проходит при нормаль­ном атмосферном давлении. Образец постепенно погружают в воду или полного водопоглощения достигают кипячением его в воде, если температура 100°С не влияет на состав и структуру материала. Выдерживают образцы в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.

Величина водопоглощаемости¹ определяется по массе: В = (M₂ – M₁)∙100/M₁, %, или по объему: В₀ = (M₂ – M₁)∙100/ν, где M₁ — масса до водопоглощения; М₂ — масса после водопоглощения; ν — объем образца. Водопоглощаемость меньше пористости, так как не все поры заполняются водой и удерживают ее.

Сходная величина водонасыщаемости определяется после насы­щения материала (образца) водой под давлением 0,2—0,3 МПа или 0,1 МПа при условии, что в порах был предварительно создан ваку­ум с помощью специального вакуум-насоса. Водонасыщаемость все­гда больше водопоглощаемости, так как при принудительном про­питывании под давлением заполняются не только крупные, но и тонкие поры и капилляры, недоступные воде при обычном процессе водопоглощения.

Гигроскопичностью называется способность материала погло­щать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажно­сти и температуры воздуха, парциального давления смеси. С увели­чением относительной влажности и со снижением температуры воз­духа гигроскопичность повышается.

За характеристику гигроскопичности принята величина отноше­ния массы поглощенной влаги при относительной влажности возду­ха 100 % и температуре +20°С к массе сухого материала.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Она измеряется количеством воды, которое ма­териал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре +20°С. Влага, находящаяся в тонких порах и капилля­рах, удерживается весьма прочно, особенно адсорбционно-пленоч-ная влага, что способствует ускоренному передвижению поглощае­мой воды по сообщающимся порам в материале. Если между влажностью окружающей среды воздуха и влажностью материала устанавливается равновесие, то отсутствуют гигроскопичность и влагоотдача, а состояние принято именовать воздушно-сухим.

Водопроницаемость — способность материала пропускать через себя воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости слу­жит количество воды, прошедшее в течение 1 ч через 1 см² поверх­ности материала при заданном давлении воды. Иногда она также характеризуется периодом времени, по истечении которого появля­ются первые признаки просачивания воды под определенным давле­нием через образец испытуемого материала. Давление воды уста­навливается стандартом в зависимости от вида материала.

Пара- и газопроницаемость оценивается с помощью особых ко­эффициентов, сходных между собой. Они равны количеству водяно­го пара (или воздуха), которое проходит через слой материала тол­щиной 1 м, площадью 1 м² в течение 1 ч при разности давлений 10 Па.

Водостойкость — способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости служит отношение предела прочно­сти при сжатии материала в насыщенном водой состоянии (R_B) к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии (R_сух). Это отно­шение принято называть коэффициентом размягчения (Крым). К во­достойким относятся строительные материалы, коэффициент размягчения которых больше 0,8, например гранит, бетон, асбесто­цемент и др. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения. На стабильность структуры и свойств материала заметное влияние оказывает попере­менное увлажнение и просыхание. Некоторые материалы принято проверять на водостойкость путем циклического насыщения образ­цов водой и их высушивания.

В жестких условиях находится тот материал, который увлажня­ется при резких температурных перепадах. Вода, поглощенная мате­риалом, особенно порами в поверхностном слое, замерзает при пе­реходе через нулевую температуру с расширением на 8,5%. Ритмично чередующаяся кристаллизация льда в порах с последую­щим оттаиванием приводит к дополнительным внутренним напря­жениям. Могут возникнуть микро- и макротрещины со снижением прочности, с возможным разрушением структуры. Способность ма­териала, насыщенного водой, выдерживать многократное попере­менное (циклическое) замораживание и оттаивание без значитель­ных технических повреждений и ухудшения свойств, называется морозостойкостью. Установлены нормативные пределы допустимо­го снижения прочности или уменьшения массы образцов после ис­пытания материала на морозостойкость при определенном количе­стве циклов замораживания и оттаивания. Некоторые материалы, например бетон, маркируют по морозостойкости в зависимости от количества циклов испытания, которые они выдерживают без види­мых признаков разрушения. Обычно образцы, насыщенные водой, замораживают в специальных морозильных камерах при температу­ре -17°С, а оттаивание организуют в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одного цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают 200—300 и более циклов. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозо­стойкость. В частности, к ним относится испытание на сохранность в солевых растворах при чередующейся кристаллизации соли в по­рах материала. В отношении некоторых материалов, например природного камня, о морозостойкости судят по величине коэффи­циента размягчения. Принято считать, что если коэффициент раз­мягчения не ниже 0,9, то данный материал обладает достаточной морозостойкостью.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электро­проводность, светопроницаемость и др. С помощью испытания со­ответствующих образцов определяют числовые характеристики этих свойств материала и сравнивают с допустимыми по нормам.

Химические свойства выражают способность и степень активно­сти материала к химическому взаимодействию с реагентами внеш­ней среды и, кроме того, способность сохранять постоянным состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Бо­льшинство строительных материалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, агрессивными газами и другими средами. Кроме того, некоторые материалы проявляют склонность к самопроизвольным внутренним химическим изменени­ям в условиях инертной среды, что отражает неустановившееся рав­новесие внутренних химических связей. Постепенное или быстрое изменение структуры и ее разрушение под влиянием агрессивных химических и электрохимических процессов в материале называют коррозией.

Нередко изучается биохимическая стойкость материала против воздействия грибов, прорастания растений, порчи насекомыми, жучками-точильщиками. Часто изучают физико-химические свойст­ва, выражающие способность веществ раскрывать межмолекуляр­ные связи под влиянием физических явлений, особенно в поверхно­стных слоях, обладающих повышенной энергией.

К основным методам изучения физико-химических свойств ма­териалов относятся определение: удельной поверхности порошко­образных материалов (наполнителей, цементов, пигментов и др.); гидрофобности неорганических порошков; величины поверхност­ного натяжения; размера и количества пор в материале, в частно­сти, с применением сорбционных методов и др.; способности ад­сорбентов (порошкообразных веществ разной активности) поглощать и удерживать (физическим и химическим путем) жидко­стные слои в тонкопленочном состоянии и др. Для реализации та­кого рода методов с получением требуемых физико-химических характеристик материала используют приборы и аппараты, описы­ваемые, как и сущность методов, в физической химии. К основным направлениям этой важнейшей науки относятся: изучение строения веществ и их свойств в различных агрегатных состояниях, изуче­ние химической термодинамики, равновесных состояний, кинетики химических реакций.

Комплексной характеристикой способности материала сопро­тивляться одновременному или поочередному (в разной последова­тельности) воздействию механических, физических, химических и физико-химических факторов служит долговечность. О долговечно­сти, измеряемой в единицах времени, судят или по ухудшению каче­ства до определенного (критического) предела, или по изменению главных (ключевых) структурных элементов и тоже до определен­ных пределов (см. 4.2).