Строительные материалы
Лекция №2
Физические свойства строительных материалов
Физические свойства характеризуют физическое состояние материала или определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды.
Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористость, пустотность.
1. Истинная плотность ρ — масса единицы объёма материала в абсолютно плотном состоянии. ρ =m/Va, где Va объём в плотном состоянии. [ρ] = г/см³; кг/м³; т/м³. Например, гранит, стекло и другие силикаты практически абсолютно плотные материалы.
Определение истинной плотности: предварительно высушенную пробу измельчают в порошок, объём определяют в пикнометре (он равен объёму вытесненной жидкости).
2. Средняя плотность ρс = m/Ve — масса единицы объёма в естественном состоянии. Средняя плотность зависит от температуры и влажности: ρс = ρв/(1+W), где W — относительная влажность, а ρв — плотность во влажном состоянии.
3. Насыпная плотность (для сыпучих материалов) — масса единицы объёма вещества в рыхлом сыпучем состоянии.
Например, истинная плотность известняка 2600 кг/мз, его средняя плотность -2300кг/мз, а насыпная – 1300кг/мз.
По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня.
Для определения насыпной плотности ρн используют стандартный сосуд определенного объема, предварительно взвешенный. В него с высоты 10см насыпают сухой сыпучий материал (щебень, гравий, песок) до образования конуса. Конус снимают вровень с краями осуда без уплотнения, после чего сосуд с материалом взвешивают и определяют насыпную плотность:
Ρн = (М 2 - М1) / V,
Где: М1 - масса мерного сосуда
М2 – масса мерного сосуд с сыпучим материалом
V - объем мерного сосуда.
4. Пористость П — степень заполнения объёма материала порами. П=Vп/Ve, где Vп — объём пор, Ve — объём материала.
П = (1 – рс/р)х100
Пористость бывает открытая и закрытая.
Открытая пористость По — поры сообщаются с окружающей средой и между собой, заполняются водой при обычных условиях насыщения (погружении в ванну с водой). Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала, снижают морозостойкость.
По = (М2 – М1)/ V х 100,
Где: М1 – масса сухого образца
М2 – масса водонасыщенного образца
V - объем образца.
Закрытая пористость Пз=П-По. Увеличение закрытой пористости повышает долговечность материала, снижает звукопоглощение.
Пористый материал содержит и открытые, и закрытые поры.
5. Пустотность – степень заполнения объем рыхлого сыпучего материала пустотами, измеряется в % или долях единиц.
Пн = (1 – рн/рс)х100,
Где: рн - насыпная плотность материала
рс - средняя плотность материала
Гидрофизические свойства стройматериалов.
1. Водопоглощением называется способность материалов поглощать воду при нормальном атмосферном давлении и температуре 200С.
Водопоглощение пористых материалов определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде при температуре 20±2 °C. При этом вода не проникает в закрытые поры, то есть водопоглощение характеризует только открытую пористость. При извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение всегда меньше пористости.
Водопоглощение по объёму Wo (%) — степень заполнения объёма материала водой:
Wo=(mв-mc)/Ve*100,
где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mc — масса образца в сухом состоянии.
Водопоглощение по массе Wм (%) определяют по отношению к массе сухого материала
Wм=(mв-mc)/mc*100.
Wo=Wм*γ, γ — объемная масса сухого материала, выраженная по отношению к плотности воды (безразмерная величина).
2. Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением. Коэффициент фильтрации kф (м/ч — размерность скорости) характеризует водопроницаемость: kф=Vв*а/[S(p1-p2)t], где kф=Vв — количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S = 1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1ч при разности гидростатического давления на границах стенки p1 — p2 = 1 м вод. ст.
Водонепроницаемость материала характеризуется маркой W2; W4; W8; W10; W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кгс/см², при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Чем ниже kф, тем выше марка по водонепроницаемости.
Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения kp = Rв/Rс, где Rв — прочность материала насыщенного водой, а Rс — прочность сухого материала. kp меняется от 0 (размокающие глины) до 1 (металлы). Если kp меньше 0,8, то такой материал не используют в строительных конструкциях, находящихся в воде.
Гигроскопичность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из воздуха. Процесс поглощения влаги из воздуха называется сорбцией, он обусловлен полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. С повышением давления водяного пара (то есть увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность материала.
Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощённой воды и интенсивностью всасывания. Уменьшение этих показателей отражает улучшение структуры материала и повышение его морозостойкости.
Влажностные деформации. Пористые материалы при изменении влажности меняют свой объём и размеры. Усадка — уменьшение размеров материала при его высыхании. Набухание происходит при насыщении материала водой.
Теплофизические свойства стройматериалов.
Теплопроводность — свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство характеризуется теплопроводностью, которая показывает количество теплоты, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает.
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.
Теплоемкость с [ккал/(кг*С)] — то количество тепла, которое необходимо сообщить 1 кг материала, чтобы повысить его температуру на 1С. Для каменных материалов теплоемкость меняется от 0,75 до 0,92 кДж/(кг*С). С повышением влажности возрастает теплоемкость материалов.
Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °C и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей. Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350 °C.
Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определённого времени. Она зависит от сгораемости материала, то есть от его способности воспламеняться и гореть. Несгораемые материалы — бетон, кирпич, сталь и т. д. Но при температуре выше 600 °C некоторые несгораемые материалы растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы). 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 пенопласты). Сгораемые материалы горят открытым пламенем, их необходимо защищать от возгорания конструктивными и другими мерами, обрабатывать антипиренами.
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. Огнеупорным и 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.
Линейное температурное расширение. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50 °C относительная температурная деформация достигает 0,5-1 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяжённости разрезают деформационными швами.
Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Количественно морозостойкость оценивается маркой. За марку принимается наибольшее число циклов попеременного замораживания до −20 °C и оттаивания при температуре 12-20 °C, 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 %).
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 от способности каждого компонента к тепловым расширениям.
Водопоглощаемость — 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 и его полного водопоглощения достигают путем кипячения 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.
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.
Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Влага, находящаяся в тонких порах и капилляра, удерживается прочно, особенно адсорбционно-пленочная 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.
Водостойкость - способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. 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 бетоны, маркируются по морозостойкости в зависимости от количества циклов испытания, которые они выдерживают без видимых признаков разрушения.
Обычно замораживание образцов, насыщенных водой, производится в специальных морозильных камерах, а оттаивание организуется в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одного цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают 200... 300 циклов и более. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозостойкость, или 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.
К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др. С помощью испытания соответствующих образцов материала определяются числовые характеристики этих свойств.