Физические свойства строительных материалов

Физические свойства строительных материалов изучают с целью решения практического вопроса, где и как их применить, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.
К физическим свойствам относятся весовые характеристики материала, его плотность, проницаемость для жидкостей, газов, тепла, радиоактивных излучений, а также способность материала сопротивляться агрессивному действию внешней эксплуатационной среды. Последнее характеризует стойкость материала, обусловливающую в конечном итоге сохранность строительных конструкций.

Читай далее на http://stroivagon.ru основные свойства строительных материалов

Под истинной плотностью (кг/м³) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала: ρ= m1/V1, где  m1-масса материала, кг;  V1-объем материала в плотном состоянии, м³ .

Значения истинной плотности некоторых строительных материалов приведены в таблицу-1.

Таблица-1. Истинная плотность некоторых строительных материалов

 

 

 

 

Под средней плотностью (среднюю плотность также во многих источниках называют просто плотностью) ρ0=m1/V1,где m1-масса материала,кг; V1-объем материала,м³. Средняя плотность одного и того же вида материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности.

Сыпучие материалы ( песок, щебень, цемент и другие) характеризуются насыпной плотностью -отношением массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами.От плотности материала в значительной мере зависят его технические свойства, например прочность, теплопроводность. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования и др.

Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах( смотри таблицу-2).

Таблица-2. Средняя плотность некоторых строительных материалов

 

 

 

 

 

Плотность зависит от пористости и влажности материала. С увеличением влажности плотность материала увеличивается. Показатель плотности является характерным и для оценки экономичности.

Пористостью (%) материала называют степень заполнения его объема порами: П=(1-ρ0/ρ)100,

где ρ0-объемная плотность материала, кг/м³; ρ-плотность абсолютно плотного материала, кг/м³. Поры -это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой. Поры бывают открытые или закрытые, крупные или мелкие.Мелкие поры заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свойствах материала: плотности, прочности,водопоглощении, долговечности и др.

Для конструкций от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость применяют плотные материалы а для стен зданий -материалы со значительной пористостью, обладающие хорошими теплоизоляционными свойствами. Открытая пористость равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к общему объему материала: ^{П0=[(m2-m1)/V]·1/ρ} H2O

где m1, m2-масса образца в сухом и насыщенном водой состоянии. Открытые поры сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, они заполняются водой при погружении в ванну с водой.В материале имеются обычно открытые и закрытые поры. В звукопоглощающих материалах специально создаются открытая пористость и перфорация для большего поглощения звуковой энергии.

Закрытая пористость по размерам и распределению пор характеризуется :а) интегральной кривой распределения объема пор по их радиусам в единице объема( смотри рисунок-1) и б) дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам ( смотри рисунок-2,а).Пористость , полученная с помощью ртутного порометра, позволяет определить размер и объем пор каждой величины и оценить их форму.Ртуть не смачивает поры большинства строительных материалов и проникает в них при повышенном давлении, что следует из уравнения : Pd=-4σcosθ, где Р-прилагаемое давление,d-диаметр пор ; σ-поверхностное натяжение ртути; θ-краевой угол смачивания ртути и испытуемого материала.

Рисунок-1. Интегральные кривые распределения пор по радиусам ( пунктиром показана кривая гистерезиса)

 

 

 

 

 

 

 

Из уравнения видно, что при нулевом давлении несмачивающая жидкость не будет проникать в поры. На рисунке-2, б приведено соотношение между давлением и диаметром пор. На рисунке -1 показаны интегральные кривые распределения пор по их размерам для четырех различных материалов.По оси х отложены радиусы пор, а по оси y-объем пор данного размера ( он равен объему ртути проникшей в образец).

Кривая- 1 характерна для материалов с большим объемом крупных пустот ( более 10 мкм). Пунктиром показана кривая гистерезиса. Кривая- 2 получена для порошка с большим объемом пустот( 4…6 мкм) между зернами. Кривая -3 характерна для материала с мелкой пористостью, а кривая 4-для материала с однородной структурой и порами 0,02…0,04 мкм. Дифференциальная кривая распределения объема пор V по их размерам ( смотри рисунок-2,а)

Рисунок-2. а) Дифференциальная кривая распределения пор по радиусам. б)  График зависимости между давлением ртути ( в поромере) и размером пор.

 

 

 

 

 

 

 

 

dV/dr=fV(r), где dV/dr-тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой. Площадь под дифференциальной кривой ( заштрихована на рисунке-2,а) равна суммарному объему пор в единице объема материала.Удельную поверхность порового пространства определяют используя средний условный радиус пор или адсорбционными методами ( по адсорбции водяного пара, азота или другого инертного газа).

Удельная поверхность ( см²/г) пропорциональна массе адсорбированного водяного пара ( газа), необходимой для покрытия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности пор ( в 1 г на 1 г сухого материала):

а= а1· Na ·m1/m2, где а1-поверхность, покрываемая одной адсорбированной молекулой, для молекулы воды а1=10,6·10 ^-16 см²;Na-число Авогадро, Na= 6,06·10 ²³ ;m1-масса и m2-молекулярная масса адсорбированного водяного пара ( газа). Свойства строительного материала определяются его составом, структурой и прежде всего значением и характером пористости.

Пустотность-количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала( песка. щебня и так далее) или имеющихся в некоторых изделиях, например в пустотелом кирпиче, панелях из железобетона. Пустотность песка и щебня составляет 35…45 %, пустотелого кирпича 15…50 %.

Гидрофизические свойства строительных материалов

Гигроскопичностью называют свойство капилярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Рисунок-3. Изотерма адсорбции ( при p>pa, круто поднимается вверх вследствие капилярной конденсации)

 

 

 

 

 

 

С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность данного материала (рис. 3). Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха количество адсорбированного газа a=ℜp ^1/n ,где р-давление газа при достижении равновесия; ℜ и n-эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при определенной температуре.В логарифмических координатах это уравнение выражается отрезком прямой lga= lgℜ+ (1/n) lgp.
Кривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка а на рис. 3).
Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности материала происходит вследствие капиллярной конденсации. В узких капиллярах материала, который хорошо смачивается водой (древесина, кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхностью. В результате пар, не достигший давления насыщения по отношению к плоской поверхности, может быть пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких капиллярах и будет конденсироваться в них.

Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность воздушно-сухой древесины составляет 12 — 18%, стеновых материалов 5 — 7% но массе. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.

Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее надземной части.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена: h=2σ cosθ/(rρg), где σ-поверхностное натяжение; θ-краевой угол смачивания; r-радиус капиляра; ρ-плотность жидкости ; g-ускорение свободного падения.Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасывания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону: V²=Kt,где К-константа всасывания.Уменьшение интенсивности всасывания ( то есть значения К) отражает улучшение структуры материала ( например бетона) и повышение его морозостойкости.

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20 ± 2°С. Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бетона может быть 50 — 60%, а его водопоглощение составляет 20 — 30% объема. Водопоглощение определяют по объему и массе.

Водопоглощение по объему W0 (%) — степень заполнения объема материала водой:

W0=((mb-mc)/Ve)100,

где mb-масса образца материала насыщенного водой, г; mc-масса образца в сухом состоянии, г; Ve-объем материала в естественном состоянии, м³.
Водопоглощение по массе Wm(%)определяют по отношению к массе сухого материала : Wm=((mb-mc)/mc)100;

Разделив по членно на W0/Wm, получим(%) W0=Wm ϒ, причем объемная масса сухого материала ϒ выражается по отношению к плотности воды ( безразмерная величина). Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02 — 0,7%, тяжелого плотного бетона — 2 — 4%, кирпича — 8 — 15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой ℜн, равный отношению водопоглощения по объему к пористости: ℜн=W0/П. Коэффициент насыщения может изменяться от 0 ( все поры в материале замкнутые) до 1 ( все поры открытые), тогда W0=П.

Уменьшение ℜн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.
Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается объемная масса, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Коэффициент размягчения ℜp — отношение прочности материала, насыщенного водой Rb, к прочности сухого материала Rc.

ℜp=Rb/Rc.

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением.Коэффициент фильтрации ℜф (м/ч) характеризует водопроницаемость материала:   ℜф-Vb·a/[S(p1-p2)t], где ℜф=Vb-количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S=1м², толщиной а=1м за время t=1ч при разности гидростатического давления на границах стенки р1-р2=1 м вод.ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление (в кгс/см2), при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Влагоотдача-способность материала отдавать влагу. Материалы, находясь на воздухе, сохраняют свою влажность только при условии определенной, так называемой равновесной относительной влажности воздуха. Если же последняя оказывается ниже этой равновесной влажности , то материал начинает отдавать влагу в окружающую среду( высушиваться).Скорость влагоотдачи зависит, во первых от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха -чем она больше, тем интенсивнее происходит высушивание.

Во вторых, на влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества.Материалы с крупными порами и гидрофобные  отдают легче влагу, чем гидрофильные и мелкопористые.В естественных условиях влагоотдача строительных материалов характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60% и температуре 20°С.

В воздухе в естественных условиях всегда содержится влага.Поэтому влажный материал высушивается при этих условиях не полностью, а только до влажности, называемой равновесной . Состояние материала при этом является воздушно-сухим. Древесина в комнатных условиях, где относительная влажность не превышает 60 %, имеет влажность 8…10 %, наружные стены зданий -4…6%. С изменением относительной влажности воздуха изменяется и влажность материалов ( если последние гидрофильные).

Воздухостойкость

Воздухостойкость -способность материала длительное время выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и потери механической прочности. Материалы ведут себя по разному по отношению к действию переменной влажности: разбухают при увлажнении, дают усадку при последующем высыхании, иногда возникает и коробление материала.

Систематическое увлажнение и высушивание вызывают знакопеременные напряжения в материале строительных конструкций и со временем приводят к потере ими несущей способности ( разрушению). Бетон в таких условиях склонен к разрушению, так как при высыхании цементный камень сжимается, а заполнитель практически  не реагирует.

В результате в цементном камне возникают растягивающие напряжения, он сжимается и отрывается от заполнителя. Древесина при изменении влажности подвергается знакопеременным деформациям. Повысить воздухостойкость материалов можно путем введения гидрофобных добавок, придающие материалу водоотталкивающие свойства.

Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.

Использовании закона Дарси-Пуазейля при небольших перепадах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности газа, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа Vρ (плотностью ρ), прошедшего через стенку площадью S и толщиной а за время t, при разности давлений на гранях стенки Δp:

Vp=ℜгStΔp/a. Отсюда  можно определить коэффициент газопроницаемости [г/(м·ч·Па)].ℜг= аVp/StΔp.

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным условиям.

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т. п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар.

Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара. В зимнее время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т. п.) в 1 м³ воздуха содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие.

Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Создаются условия, способствующие быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конструкции при действии мороза. Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (например, газоубежища). Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от структуры материала (объемной массы и пористости) (табл. 3).

Таблица- 3. Относительные значения паро- и газопроницаемости (за 1 принята проницаемость кирпича)

 

 

 

 

 

Влажностные деформации.

Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой:

Таблица-4. Значения усадки некоторых строительных материалов

 

 

 

 

 

Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений.

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности. Систематические наблюдения показали, что многие материалы в условиях попеременного насыщения водой и замораживания разрушаются постепенно.

Разрушение происходит прежде всего в связи с тем, что вода попадающая в поры материала увеличивается в объеме примерно до 9% при замерзании. Наибольшее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре -4°С. Дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличения объема льда. При заполнении пор водой и ее замерзании стенки пор начинают испытывать значительные напряжения и могут разрушаться.

Определение степени морозостойкости материала производят путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре от -15 до -17°С и последующего их оттаивания. Такую низкую температуру опыта принимают по той причине, что вода в тонких капиллярах замерзает только при -10 °С. Морозостойкость материала зависит от плотности и степени насыщения водой их пор. Плотные материалы морозостойки.Из пористых материалов обладают морозостойкостью только такие, у которых имеются в основном закрытые поры или вода занимает менее 90% объема пор.

Материал считается морозостойким, если после установленного числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15 % , а потери в массе в результате выкрашивания не превышали 5%. Если образцы после замораживания не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливают по коэффициенту морозостойкости: ℜf=Rf/Rb, где Rf-предел прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость, Па;Rb-предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, Па; Для морозостойких материалов ℜf не должен быть менее 0,75.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потери массы — не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений. Марки по морозостойкости определяются по числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания конкретного материала ( сепень морозостойкости), например марки -F 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз 50, Мрз 100 и Мрз 200, а гидротехнический бетон — до Мрз 500.

Рассмотрим причины разрушения пористого материала под влиянием совместного действия на него воды и мороза. Для примера возьмем материал, находящийся в ограждающей конструкции. Осенью наружная часть стены промерзает. В это время происходит миграция (перемещение) пара «от тепла к холоду», т. е. пар стремится наружу, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной.

Рисунок-4. Распределение температуры в наружной стене здания(а) и заполнение поры водой(б), выделенной вблизи фасадной грани

 

 

 

 

 

1-адсорбированная вода; 2-устье поры; 3- дождевая вода; 4- конденсат

Например, давление пара при +20°С составляет 2,33 кПа, а при — 10°С оно равно только 0,27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани стены. Таким образом, поры наружной промерзающей части стены оводняются (рис. 4), причем вода прибывает сюда как снаружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара).

При наступлении даже небольших морозов (от — 5 до — 8°С) вода в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в объеме на 9% (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, затем оно распространяется вглубь.

Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т. п.). Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре от — 15 до — 20°С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15 — 20°С, что обеспечивает водонасыщенное состояние образцов.

Существует также ускоренный метод испытания , по которому образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и затем высушивают при температуре 100…110°С. Образующиеся при этом в порах камня кристаллы десятиводного сульфата ( со значительным увеличением объема ) давят на стенки пор еще сильнее, чем вода при замерзании. Такое испытание является особо жестким. Один цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравнивается к 5…10  и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием.

Рисунок-5.Кривая изменения прочности бетона при попеременном замораживании и оттаивании

 

 

 

 

 

 

Для оценки морозостойкости все шире применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод.С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замораживания (рис. 5) и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности (ΔR) или модуля упругости (ΔЕ).

Теплотехнические свойства строительных материалов

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и покрытий зданий.

Рисунок-6. Зависимость теплопроводности неорганических материалов от объемной массы

 

 

 

 

 

 

 

1-сухие материалы; 2 и 3 -воздушно-сухие материалы с разной влажностью; 4-материалы, насыщенные водой.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха [λ = 0,023 Вт/ (м·°С)] меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвекцией и излучением.

На практике удобно судить о теплопроводности по объемной массе материала (рис. 6). Известна формула В. П. Некрасова, связывающая теплопроводность λ[Вт/(м·°С)] с объемной массой каменного материала λ об, выраженной по отношению к воде: λ=1,16√(0,0196 + 0,22ϒ²об-0,16). Точное значение λ определяют для данного материала экспериментально.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его теплопроводность, так как теплопроводность воды ( 0,58 Вт/ (м·°С) в 25 раз больше , чем теплопроводность воздуха.
Замерзание воды в порах с образованием льда еще более увеличивает λ , так как коэффициент теплопроводности инея равен 0,1, а льда — 2,3 Вт/(м·°С), т. е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается.

Теплоемкость

Теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью, с [Дж/( кг·°С)], которое определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С.

с=Q/[m(t2-t1)], где Q-количество тепла, затраченное на нагревание материала от t1 до t2,Дж; m-масса материала, кг.

Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг·°С). Теплоемкость сухих органических материалов (например, древесины) — около 0,7 кДж/(кг·°С), вода имеет наибольшую теплоемкость — 1 кДж/(кг·°С), поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Показатели теплоемкости разных материалов нужны для теплотехнических расчетов. Теплоемкость материала имеет важное значение в тех случаях когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете подогрева материала для зимних бетонных работ, при расчете печей и других сооружений.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.

Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т. е. от его способности воспламеняться и гореть.

Несгораемые материалы — это бетон, кирпич, сталь и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600°С. Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласта).

Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества — антипирены.

Коэффициент линейного температурного расширения бетона и стали 10·10 ^-6°С ^-1, гранита — 10·10 ^-6°С ^-1, дерева — 20·10 ^-6°С ^-1. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50°С относительная температурная деформация достигает 0,5- 10 ^-3 или 1 ·10 ^-3 , т. е. 0,5 — 1 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают деформационными швами.

Огнестойкость — способность материала выдерживать действие высокой температуры без потери несущей способности (большого снижения прочности и значительных деформаций).
Это свойство важно при пожарах, а так как в процессе тушения пожаров применяют воду, то при оценке степени огнестойкости материала действие высокой температуры сочетают с действием воды.
Строительные материалы по огнестойкости делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы под воздействием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются (природные и искусственные неорганические материалы, металлы). Однако одни из этих материалов под воздействием высокой температуры не растрескиваются и не деформируются, например керамический кирпич, а другие, в частности сталь, подвержены значительным деформациям. Поэтому стальные конструкции не могут быть отнесены к огнестойким. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высоких температур обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но продолжают гореть или тлеть только при наличии огня (древесина, пропитанная огнезащитными составами). Сгораемые материалы горят и тлеют под воздействием огня или высоких температур и продолжают гореть после устранения огня (все органические материалы, не подвергнутые пропитке огнезащитными составами).

Термическая стойкость материала характеризуется его способностью выдерживать определенное количество циклов резких тепловых изменений без разрушения. Термическая стойкость зависит от степени однородности материала, температурного коэффициента расширения составляющих его частей. Чем меньше коэффициент температурного расширения, тем выше термическая стойкость материала. К термически нестойким материалам можно отнести стекло, гранит.
Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою структуру и физико-механическиехарактеристики после воздействия ионизирующих излучений.Развитие атомной энер гетики и широкое использование источников ионизирующих из лучений в различных отраслях народного хозяйства вызывают необходимость оценки радиационной стойкости и защитных свойств материалов.

Уровни радиации вокруг современных ис точников ионизирующих излучений настолько велики, что может произойти глубокое изменение структуры материала. Поток радиоактивного излучения при встрече с конструкциями из данного материала может поглощаться в разной степени в зависимости от толщины ограждения, вида излучения и природы вещества защиты.

Для защиты от нейтронного потока применяют материалы, содержащие в большом количестве связанную воду; от у-излучений— материалы с большой плотностью (свинец, особо тяжелый бетон). Связанную воду содержат гидратированные бетоны, лимонитовая руда (водный оксид железа) и др. Уменьшить интенсивность проникания нейтронного излучения через бетон можно путем введения в него специальных добавок (бора, кадмия, лития).

Химическая стойкость— способность материала сопротив ляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов.
Наиболее часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов санитарно-техническиесооружения, канализационные трубы, животноводческие помещения, гидротехнические соору жения (находящиеся в морской воде, имеющей большое коли чество растворенных солей).

Не способны сопротивляться дей ствию даже слабых кислот карбонатные природные каменные материалы — известняк, мрамор и доломит; не стоек к действию концентрированных растворов щелочей битум. Наиболее стойки ми материалами по отношению к действию кислот и щелочей являются керамические материалы и изделия, а также многие изделия на основе пластмасс.

Долговечность— способностьматериаласопротивлятьсяком плексному действию атмосферных и других факторов в усло виях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находя щихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей.

При этом потеря материалом механических свойств может происходить в результате нарушения сплошности структуры (образования тре щин), обменных реакций с веществами внешней среды, а также
в результате изменения состояний вещества (изменения кристал лической решетки, перекристаллизации, перехода из аморфного
в кристаллическое состояние). Процесс постепенного измене ния (ухудшения) свойств материалов в эксплуатационных ус ловиях иногда называют старением.
Долговечность и химическая стойкость материалов непосредственно связаны с величиной затрат на эксплуатацию зданий и сооружений. Повышение долговечности и химической стойкости строительных материалов является наиболее актуальной задачей в техническом и экономическом отношениях.