Физические свойства

Физические свойства отражают способность материала противостоять физическим эксплуатационным воздействиям: осадкам в виде дождя или снега, сезонным и суточным изменениям температуры воздуха и т.д.

К физическим свойствам относятся свойства, связанные со строением и физическим состоянием материала: плотность (истинная, средняя, насыпная); свойства, связанные с отношением материала к воде (водопоглощение, водонасыщение, влажность, гигроскопичность, водонепроницаемость, водостойкость, морозостойкость), к действию тепла и изменению температуры окружающей среды (теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, огнестойкость, огнеупорность), к звуковым волнам и химическим реагентам.

Параметры состояния. Истинная плотность (часто просто плотность) ри — плотность того вещества, из которого состоит материал.

Она определяется как отношение массы материала т (г, кг) к его объему V в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот):

Истинная плотность — физическая константа вещества.

Плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 (кг/м3 у пористой пластмассы) до 7850 кг/м3 (у стали).

Средняя плотность р0 — плотность материала, при расчете которой используется его полный объем V0 в естественном состоянии, включая поры и пустоты:

Для определения объема в этом случае удобно использовать образцы правильной геометрической формы (куб, цилиндр). Если образцы имеют неправильную геометрическую форму, то их среднюю плотность определяют методом гидравлического взвешивания или с помощью объемомера.

Относительная плотность (ф) — это степень заполнения объема материала плотным веществом. Она характеризует структуру материала и равна отношению средней плотности к истинной:

Насыпная плотность рн представляет собой отношение массы свободно насыпанного сыпучего рыхлого зернистого материала (песка, гравия, щебня), в том числе материала в виде порошка (цемент, известь, минеральный порошок для асфальтобетона), с учетом пор и межзерновых пустот, ко всему занимаемому им объему:

На среднюю и насыпную плотность материала влияет его влажность. Вода замещает (вытесняет) воздух в порах материала и адсорбируется на поверхности его зерен. Поэтому, как правило, чем больше влажность материала, тем больше его плотность.

Для каждого материала ГОСТы (СТБ) устанавливают влажность, при которой определяется его плотность. Например, плотность тяжелого бетона определяют при его естественной влажности в сухом состоянии, древесины — при влажности 12 %.

Структурные характеристики. Пористость — степень заполнения объема материала порами. Ее можно рассчитать по следующей формуле:

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за единицу, или в % от объема.

В случае если необходимо определить, какую часть пор в материале составляют замкнутые (они менее опасны) или открытые, как они распределяются в объеме материала, каково соотношение пор разных диаметров, то проводят дополнительные исследования с помощью специальных методов: ртутной пирометрии, капиллярного всасывания и др.

На прочность материалов значительно влияют величина пористости и размер пор. При одном и том же составе вещества строительный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, чем больше и крупнее поры в его объеме.

От пористости зависят и другие качественные характеристики материала, например способность проводить теплоту, звук, поглощать воду.

Различают открытую и закрытую пористость материалов.

Открытая пористость П0 равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V:

где тг и т2 — масса образца соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии; рНз0 — плотность воды.

Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают морозостойкость.

Поры по своему размеру подразделяют на капиллярные (капилляры) и некапиллярные. К капиллярным принято относить поры с условным радиусом не более 10 мкм. Вода в них может попадать в результате капиллярного подсоса, который связан с ее поверхностным натяжением. Некапиллярные поры (т.е. поры с условными радиусами более 10...20 мкм) могут заполняться водой только при погружении материала в жидкость. Эти открытые поры заполняются водой постепенно и не полностью, так как этому препятствует находящийся там воздух.

Открытые поры с защемленным в них воздухом профессор С.В. Шестоперов назвал «подрессорными порами». Он показал пути создания таких пор в бетонах, используемых в транспортном строительстве, для повышения их морозостойкости, например, с помощью специальных воздухововлекающих добавок.

Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

В современных поромерах измерение пористости автоматизировано и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах.

Пустотностъ. Пустоты в рыхлых насыпных материалах (межзерновое пространство) значительно крупнее пор. Вода в них не задерживается (быстро испаряется или стекает).

Расчет пустотности производят по формуле

Гидрофизические свойства. Способность материала поглощать воду оценивается по показателям водопоглощения, водо- насыщения, гигроскопичности, влажности, влагоотдачи, капиллярного всасывания, водопроницаемости.

Во долог лощение — способность открытых пор материала поглощать воду в течение определенного времени при обычном давлении и температуре. Полному и быстрому заполнению открытых пор препятствует находящийся в них воздух. Время водопоглощения различных материалов в лаборатории определяется соответствующими стандартами.

Различают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.

Водопоглощение по массе Wm определяется как отношение массы поглощенной воды к массе сухого материала:

где т1 — масса сухого материала; т2 — масса насыщенного водой материала.

Водопоглощение по объему Wv определяется как отношение массы поглощенной воды к объему сухого материала V:

Поскольку объем сухого материала равен , то

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,2...0,7 %, тяжелого бетона —

2...4 %, кирпича — 8...15 %, пористых теплоизоляционных материалов — 100 % и больше.

Водопоглощение по массе может быть больше пористости (у высокопористых материалов), но водопоглощение по объему никогда не может превысить ее.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: материал набухает, плотность и теплопроводность его увеличиваются, а прочность и морозостойкость понижаются.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, применяя для этой цели коэффициент насыщения пор водой, равный отношению водопоглощения по объему к пористости:

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры материала замкнутые) до 1 (все поры открытые, тогда W0 = П). Уменьшение Кн при той же пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал в вакууме или при повышенном давлении. При этом из открытых пор полностью вытесняется воздух и они целиком заполняются (насыщаются) водой.

Водонасыщение характеризует объем открытых пор в материале. Оценка этого показателя осуществляется по тем же зависимостям, что и для водопоглощения.

Гигроскопичность — способность капиллярно-пористого материала поглощать влагу из окружающего влажного воздуха или паро-газовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха.

Характеристикой этого свойства материала является отношение массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температуре +20 °С к массе сухого материала.

Влажность — содержание влаги в материале (естественная влажность в данный конкретный момент), отнесенное к массе материала в сухом состоянии (%):

где т1 — масса материала в естественно-влажном состоянии, г; т2 — масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Влагоотдача — способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Эта характеристика материала измеряется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре +20 °С. Если между влажностью окружающей среды и влажностью материала устанавливается равновесие, то гигроскопичность и влагоотдача отсутствуют. Такое состояние называется воздушно-сухим.

Капиллярное всасывание воды — способность пористого материала всасывать воду. Так, например, грунтовые воды земляного полотна дороги могут подниматься по капиллярам пор и увлажнять нижние слои дорожной одежды.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в капилляре, которая рассчитывается по формуле

где ст — поверхностное натяжение воды; 0 — краевой угол смачивания; г — радиус капилляра (поры); рН20 — плотность воды при данной температуре; g — ускорение свободного падения.

Поры в строительных материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение (радиус). Поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения капиллярного всасывания воды в материал.

Объем воды V, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, приближенно описывается формулой

где k — константа всасывания.

Водопроницаемость (водонепроницаемость) — способность материала пропускать (не пропускать) воду под давлением. Это свойство материала характеризуют коэффициентом фильтрации Кф:

где VB — количество воды, м3, проходящей через стенку площадью S = 1 м2 и толщиной а = 1 м за время t = 1ч при разности гидростатического давления на границах стенки рг - р2 = 1 м водного столба.

При строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, труб водопроницаемость этих сооружений не допускается. Для ее предотвращения стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами (стекло, сталь, полиэтилен), устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Для определения водонепроницаемости существуют различные методики. Но общая схема такова: на одной поверхности материала создают давление воды и определяют, появится ли вода на его противоположной поверхности. Водопроницаемость характеризуют либо временем появления первой капли воды при заданном давлении, либо давлением, при котором это произошло.

Вода — один из главных врагов строительных материалов. Ее воздействие вызывает определенные последствия: усадку, набухание, снижение прочности при обычных положительных температурах; при переходе через нулевую температуру в сторону отрицательных значений (после п циклов замораживания-оттаивания) прочность материалов существенно снижается, что оценивается их морозостойкостью.

Усадка (усушка) — уменьшение размеров материала при его высыхании. Этот процесс вызывается уменьшением толщины пленок воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

В табл. 2.3 представлены значения усадки некоторых строительных материалов.

Таблица 2.3

Усадка строительных материалов

Материал

Усадка, мм/м

Древесина поперек волокон

30... 100

Кирпич

0,03...0,1

Строительный раствор

0,5...1

Тяжелый бетон

0,02...0,06

Ячеистый бетон

1...3

Набухание (разбухание) — увеличение объема материала после водопоглощения. Причина этого явления состоит в том, что полярные молекулы воды, проникая в полости между частицами или волокнами материала, как бы «расклинивают» их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц.

Чередование высыхания и увлажнения пористых материалов сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия вызывают появление трещин, что уменьшает прочность и долговечность сооружений.

Снижение прочности материала после его водонасыщения (водостойкость) характеризуется коэффициентом размягчения:

где Днас — предел прочности при сжатии насыщенного водой материала; Rcyx — предел прочности сухого материала.

Требования к этому показателю для различных материалов определяются условиями эксплуатации и регламентированы различными стандартами и техническими условиями. Например, для асфальтовых бетонов, используемых в верхнем слое покрытий, он должен быть не менее 0,8...0,9.

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание-оттаивание.

Попеременное замораживание-оттаивание материалов происходит в осенний и весенний периоды года, когда температура воздуха переходит через О °С, т.е. меняется от положительных значений к отрицательным и обратно. Такие воздействия испытывают материалы покрытий автомобильных дорог, гидротехнических сооружений, мостов и других конструкций транспортных объектов.

Находящаяся в открытых порах материала вода, замерзая, увеличивается в объеме на 9 %. При этом в порах материала возникают напряжения, значительно превышающие прочность материала (200 МПа). В результате повторяющихся циклов материал разрушается, теряя прочность (рис. 2.8).

Изменение прочности бетонных образцов после попеременного замораживания и оттаивания

Рис. 2.8. Изменение прочности бетонных образцов после попеременного замораживания и оттаивания

Морозостойкость материала зависит от его структуры, формы и размера пор, степени заполнения их водой, наличия в них защемленного воздуха после водонасыщения, ионного состава вода — среда, температуры замораживания и многих других факторов.

Морозостойкость материала оценивается количеством циклов замораживания-оттаивания и соответственно маркой по морозостойкости F. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов, которое выдерживают образцы материала при снижении прочности на сжатие не более 15 % и потери массы не более 5 %. Образцы после испытания не должны иметь видимых повреждений (трещин, выкрашивания).

От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию температурных изменений и воды. Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата, который характеризуется среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания-оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений.

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

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров. Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре -15...20 °С. Извлеченные из камеры образцы оттаивают в воде с температурой 20 °С. Для бетонов дорожных и аэродромных покрытий, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, насыщение и оттаивание производят в 5%-ном растворе хлористого натрия.

Требуемое число циклов попеременного замораживания- оттаивания лтр определяют по формуле

где Тсл — срок службы сооружения; пкл — среднегодовое число циклов замораживание-оттаивание климатического района эксплуатации; К3 коэффициент запаса по морозостойкости.

Теплофизические свойства. Поведение строительных материалов под воздействием тепловых факторов определяется их теплопроводностью, теплоемкостью, термической стойкостью, огнестойкостью и огнеупорностью.

t,>t„

Теплопроводность — свойство материала передавать тепловой поток через свою толщу. Это свойство является главным для теплоизоляционных материалов; оно также очень важно для устройства земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог.

Это явление возникает, когда на противоположных поверхностях слоя материала существует разность температур, например на внешней и внутренней поверхностях стены здания.

Рис. 2.9. Схема к определению коэффициента теплопроводности

Количество теплоты, прошедшее через стену толщиной h, площадью S в течение времени г при разности температур на противоположных поверхностях At, будет равно (рис. 2.9):

где Xкоэффициент теплопроводности, который показывает количество теплоты, проходящее через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 при разности температур на противоположных поверхностях 1 °С.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные поры материала. Теплопроводность воздуха (0,023 Вт/(м • °С)) значительно меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала. Например, для бетона А=1,2...1,5 Вт/(м • °С). Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности.

Зависимость теплопроводности от средней плотности и влажности материалов

Рис. 2.10. Зависимость теплопроводности от средней плотности и влажности материалов:

1 — сухие материалы; 2,3 — материалы с разной влажностью; 4 — материалы, насыщенные водой

На практике о теплопроводности удобно судить по средней плотности материала и его влажности (рис. 2.10). Известна также формула В.П. Некрасова, связывающая теплопроводность А, со средней плотностью материала р0:

Точное значение X определяют для каждого 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 больше увеличивает X, так как теплопроводность льда равна 2,3 Вт/(м • °С), т.е. в четыре раза больше, чем у воды.

При одной и той же пористости теплопроводность материалов тем меньше, чем мельче поры, так как в крупных порах возможно движение воздуха и передача тепла конвекцией.

В табл. 2.4 приведены коэффициенты теплопроводности некоторых строительных материалов.

Таблица 2.4

Коэффициент А строительных материалов

Материал

Плотность материала, кг/м3

Коэффициент

теплопроводности А, Вт/(м • °С)

Бетон

2000...2500

1,2...1,5

Вода

1000

0,58

Воздух

0,023

Гранит

2600...2800

2,92

Древесина:

вдоль волокон

400...700

0,34

поперек волокон

0,17

Кирпич

1600...1900

0,85

Минеральная вата

200...400

0,06...0,09

Сталь

7860

58

Теплоемкость — это способность материала аккумулировать теплоту при нагревании и выделять ее при остывании.

Теплоемкость С материала измеряется количеством теплоты, необходимым для нагревания этого материала на 1 °С:

где Q — количество теплоты, израсходованное на нагревание, Дж; Т2 ~ Тх — разность температур в конце и начале нагревания, °С.

В системе СИ теплоемкость измеряется в Дж/К.

Удельной теплоемкостью с материала называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 °С (1 К). Это теплоемкость материала с, отнесенная к его массе т:

В системе СИ удельная теплоемкость измеряется в Дж/(кг • К).

Наибольшую удельную теплоемкость имеет вода (4200 Дж/(кг • К)), поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. У органических материалов удельная теплоемкость выше, чем у неорганических: древесина — 2420...2750 Дж/(кг • К), бетоны, кирпич, каменные материалы — 750...940, сталь — 500 Дж/(кг • К).

Численные характеристики теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения теплоемкости необходимы для расчета затрат на топливо и энергию на разогрев материалов и конструкций в различных технологических процессах.

Термическая стойкость — это свойство материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры. Она зависит от степени однородности материала и от способности каждого компонента к тепловому расширению, оцениваемой коэффициентом линейного расширения.

Коэффициент линейного расширения показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С. Чем меньше величина этого коэффициента и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость и большее количество циклов резких смен температуры он способен выдержать без нарушения своей 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) • 1(Г6. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50 °С относительная температурная деформация достигает 0,5...1 мм на 1 м пог.

Термическое расширение является упругим и полностью обратимым. В основе возможного разрушения структуры лежат явления, под влиянием которых в материале возникают напряжения. Это связано либо с наличием градиента температур, либо с влиянием изотропии коэффициента теплового линейного расширения. В обоих случаях возникновению и развитию внутренних напряжений в материале благоприятствует отсутствие условий для свободного изменения объема элементов конструкции.

Термическая стойкость материала тем выше, чем меньше коэффициент его температурного расширения. Природные каменные материалы из мономинеральных горных пород (например, мрамор) более термостойки, чем породы, сложенные из нескольких минералов (например, гранит).

Огнестойкость — это способность материала не гореть. По степени огнестойкости — способности противостоять действию высоких температур, развивающихся в условиях пожара (до 1000 °С), материалы могут быть:

  • ? несгораемые (бетон, кирпич, гранит, сталь деформируются незначительно либо после значительного повышения температуры, но не горят);
  • ? трудносгораемые (асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит тлеют, но после удаления источника огня не горят);
  • ? сгораемые (дерево, пластмассы, их необходимо защищать от возгорания, применять антипирены).

Огнеупорность — способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Огнеупорность материала характеризуется температурой, при которой образец стандартных форм и размеров при нагревании в печи по заданному режиму размягчится и, оседая, коснется своей вершиной подставки, на которой он стоит.

Материалы с огнеупорностью более 1580 °С называются огнеупорными (динасовые, шамотные, хромомагнезитовые и др.). Огнеупорность шамотных материалов составляет 1610...1730 °С, динасовых — 1700 °С, хромомагнезитовых (обожженных) — не ниже 2000 °С.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Акустические свойства. Акустические свойства характеризуют способность материалов поглощать или проводить звук сквозь свою толщу. Знание этих свойств востребовано при проектировании промышленно-гражданских зданий, залов театров, кинотеатров, звукоограждающих конструкций на участках улиц и загородных автомобильных дорог.

При попадании звуковой волны на ограждающую поверхность звуковая энергия отражается, поглощается и частично проходит сквозь ограждение.

Звукоотражение. Отражение звуковой волны от поверхности материала зависит от ее состояния (гладкая, шероховатая) и пористости самого материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающей звуковой волны.

Звукопоглощение. Если поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом и не отражаются. Физика «гашения» звука пористым телом состоит в следующем. Звуковые волны, проникая в поры материала, создают колебания содержащегося в них воздуха, при этом значительная часть звуковой энергии растрачивается. Сжатие воздуха в порах и его трение об их стенки вызывает разогрев. Таким образом, кинетическая энергия звуковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеивается в среде.

Значительному гашению звука способствует деформирование пористого скелета звукопоглощающего материала. Это особенно заметно в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористостью при ее общем объеме не менее 75 %.

Характеристикой поглощения звуковой энергии является коэффициент звукопоглощения:

где Я™™ — количество поглощенной звуковой энергии; Япад — количество падающей на ограждение звуковой энергии.

Звукопроводность. Звукоограждающая конструкция тем меньше проводит звук, чем больше его толщина и масса: энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь нее.

Качество звукоизоляционных ограждений оценивают с помощью коэффициента звукопроводности:

где Япрош — количество звуковой энергии, прошедшей через материал ограждения.

Создание качественных звукоограждающих конструкций основано на двух физических явлениях: отражении звуковых волн от поверхности ограждения и поглощении звуковых волн материалом ограждения.

В качестве звукоизоляционных материалов применяют стекловату, древесные волокна, засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.), иногда используют штучные активные звукопоглотители: пластины, цилиндры и т.п. Плиты (или рулоны) из звукопоглощающих материалов покрывают снаружи гидрофобной стеклотканью. Эффективны также звукопоглощающие газонаполненные пластмассы (пенополиуретан, пенополивинилхлорид и др.) или штучные плитки из губчатой резины.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >