Физические свойства

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Плотность – это масса единицы объема материала. Различают плотность вещества в абсолютно-плотном состоянии (истинную плотность) и плотность материала в естественном состоянии, с учетом имеющихся в нем пор и пустот . Плотность материалов в естественном состоянии принято называть средней плотностью. Среднюю плотность сыпучих материалов часто называют насыпной плотностью. Истинную и среднюю плотности материала вычисляют по формулам:

= г/см³ = кг/м³,

где - масса материала, кг;

- объем вещества в абсолютно плотном состоянии, без пор и пустот, м³;

- объем материала в естественном состоянии, вместе с порами и пустотами, м³.

Для определения истинной плотности материала применяют колбу Ле-Шателье-Кандло. Колба позволяет с достаточно высокой точностью определять объем исследуемого вещества. В колбу, до нулевой отметки, наливают инертную жидкость. Навеску порошка, полученного дроблением и помолом материала, небольшими порциями всыпают в колбу до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется до отметки, соответствующей объему 20 см³. Плотность вещества вычисляют делением массы всыпанного порошка на вытесненный объем.

Для определения средней плотности материала требуется установить его объем в естественном состоянии, вместе с порами и пустотами. В зависимости от формы образца материала используют разные методы определения объема. Если материал представлен образцами правильной геометрической формы, измерение его объема сводится к измерению его линейных размеров с последующим расчетом объема по известным геометрическим формулам. Объем образцов неправильной геометрической формы определяют гидростатическим взвешиванием или в объемомере. С целью защиты порового пространства от проникновения воды при измерении объема погружением в воду, образцы предварительно покрывают пленкой парафина, или, при малой пористости, предварительно насыщают водой. При испытании на гидростатических весах объем образцов неправильной геометрической формы определяют по формуле

= , см³,

где - масса насыщенного водой образца, определенная взвешиванием на воздухе, г;

– масса насыщенного водой образца, определенная взвешиванием в воде, на гидростатических весах;

- плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см³.

Для определения объема образца в объемомере, объемомер наполняют водой с температурой 20±2°С до такого уровня, при котором она начинает вытекать из трубки. Когда из трубки прекратится падение капель, под нее ставят предварительно взвешенную емкость. Образец материала осторожно погружают на тонкой нити в объемомер. При этом вода, вытесненная образцом, через трубку вытекает в емкость. Объем образца, равный объему вытесненной воды, вычисляют по формуле:

= , см³,

где - масса пустой емкости, г;

- масса емкости с водой, вытесненной образцом, г;

- плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см³.

Если образец предварительно покрывался пленкой парафина, объем парафина устанавливают делением массы парафина на его плотность, принимаемую равной 0,93 г/см³. Объем образца вычисляют вычитая объем парафина из объема парафинированного образца.

При определении насыпной плотности объем сыпучего материала принимают равным объему стандартного сосуда цилиндрической формы. Материал насыпают в сосуд с высоты 10 см так, чтобы над сосудом образовался конус из материала. Конус снимают ребром линейки вровень с краями сосуда. Сосуд с материалом взвешивают.

Пористость - это величина, характеризующая степень заполнения объема материала порами. Если материал в естественном состоянии, то есть вместе с имеющимися в нем порами, заполняет объем , а в «абсолютно» плотном состоянии занимает объем , то отношение выражает относительную плотность d = . Соответственно, относительный объем пор определяется выражением (1- ). Исходя из этого, пористость в процентах вычисляют по формуле:

П = (1- )100, %

где - плотность вещества материала, определяемая при помощи колбы Ле-Шателье-Кандло, кг/м³;

– средняя плотность материала, кг/м³.

Как общий объем пор, так и структура порового пространства оказывает значительное влияние на другие свойства материалов. Например, увеличение пористости приводит к снижению прочности, средней плотности, теплопроводности. Открытая капиллярная пористость понижает морозостойкость. При равном объеме пор, в случае увеличения доли мелких замкнутых пор, теплопроводность уменьшается.

Влажность - это отношение массы воды, адсорбированной в порах материала, к его массе в сухом состоянии, выраженное в процентах. Влажность материалов обуславливается степенью их гигроскопичности, которая проявляется в способности материалов поглощать водяные пары из окружающего пространства и адсорбировать их на поверхности пор. Влажность материала растет с повышением относительной влажности окружающей среды, с понижением температуры и с увеличением давления. Влажность материалов устанавливают в результате высушивания проб до постоянной массы при температуре 105 °С и вычисляют по формуле:

= %,

где – масса влажного материала, г;

- масса сухого материала, г.

Повышение влажности материалов часто приводит к объемным деформациям, снижению прочности, а также сопровождается ростом теплопроводности и средней плотности. Влажность материалов необходимо также учитывать при их технологической переработке.

Водопоглощение – способность материала, погруженного в воду, поглощать и удерживать ее. Водопоглощение устанавливают методом водонасыщения проб материала, погруженных в воду. Водопоглощение показывает количество поглощенной воды в процентах от массы или объема материала в сухом состоянии :

В_м = 100 %, В_о = 100 %,

где В_м – водопоглощение по массе, %; В_о - водопоглощение по объему, %; - масса образца материала в сухом состоянии, г; - масса образца материала, насыщенного водой, г; - объем образца в сухом состоянии, см³.

Изменение условий насыщения образцов, в частности длительность водонасыщения, давление окружающей среды, влияют на величину водопоглощения, так как изменяется степень заполнения пор водой. Образцы следует выдерживать в воде до постоянной массы или в течение срока, указанного в стандарте.

Вода, поглощенная материалом, занимает только часть его объема, поэтому объемное водопоглощение всегда меньше 100 %. О водопоглощении по массе этого утверждать нельзя: В высокопористых материалах масса воды, содержащаяся в порах, часто превышает массу материала в сухом состоянии. Объемное водопоглощение может быть определено умножением водопоглощения по массе на среднюю плотность материала:

В_о = В_м .

Поскольку объемное водопоглощение отражает степень заполнения пор материала водой, его используют для оценки пористости. Пористость, определенную по объемному водопоглощению, называют кажущейся, так как вода проникает только в открытые поры. Кроме того, вода не удерживается в крупных открытых порах – пустотах.

Водопроницаемость - это свойство материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материала характеризуют коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации рассчитывают по формуле:

К_ф = ,

где - количество воды, м³, проходящей через слой материала; - толщина материала, м; - время прохождения воды, ч; - площадь материала, м²;( ) - разность гидростатического давления на противоположных поверхностях материала, м вод.ст.

Коэффициент фильтрации показывает, какое количество воды проходит через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м² в течение 1 ч при наличии перепада давлений на противоположных поверхностях 1 м. вод.ст.

Водонепроницаемость- свойство материала не пропускать воду под давлением. Водонепроницаемость материалов характеризуют величиной максимального гидростатического давления, при котором образец материала не фильтрует воду.

Определение водонепроницаемости рулонных гидроизоляционных материалов осуществляют в приборе, снабженном манометром и обеспечивающем создание избыточного гидростатического давления до 0,3 МПа. Испытанию подвергают образец материала в виде листа, площадью 150х150 мм, который устанавливают в верхней части камеры прибора, закрепляя герметично по контуру прижимной плитой. Через камеру по трубопроводу пропускается вода, напор которой создает одностороннее давление на поверхности образца. Величина давления контролируется с помощью манометра. При нормируемой величине давления образец не должен фильтровать воду.

В случае, когда необходимо определить водонепроницаемость при давлении 0,001 МПа, образец материала площадью 150х150 мм, укладывают на лист фильтровальной бумаги, размещенный на поверхности стеклянной пластинки. В середине образца вертикально устанавливают стальную трубу диаметром 100 мм, с толщиной стенок 2 мм и высотой до 120 мм. Нижний конец трубы должен быть отфрезерован. В месте примыкания трубы к поверхности испытуемого материала обмазкой горячим битумом создается водонепроницаемый при заданном давлении стык. В трубу наливается вода до риски, размещенной на внутренней поверхности трубы на высоте 100 мм, что обеспечивает создание на поверхности образца давления 0,001 МПа. После выдерживания образца под давлением в течение заданного времени необходимо проконтролировать, не появилось ли на поверхности фильтровальной бумаги мокрого пятна. Считают, что материал выдержал испытание, если фильтровальная бумага осталась сухой.

Водостойкость – это способность материала сохранять прочность при водонасыщении. Водостойкость оценивают с помощью коэффициента размягчения, который равен отношению прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии :

К_разм =

К водостойким относятся материалы, коэффициент размягчения которых больше 0,8. Эти материалы можно применять во влажных условиях эксплуатации без специальных мер защиты их от увлажнения.

Влажностные деформации - это изменения объема и размеров материалов происходящие вследствие изменения влажности. Влажностные деформации измеряются показателями усадки и набухания. Усадка – это сокращение размеров материала в воздушной среде или при сушке. Линейную усадку материала определяют по формуле:

= 1000, мм/м

где - первоначальная длина образца, м; - - абсолютные линейные деформации при последующих периодических замерах или после стабилизации процесса усадки, мм.

Набухание – приращение объема образца материала после его увлажнения или водонасыщения. Набухание определяют по формуле:

= 100, %

где - объем образца до водопоглощения, мм³; - объем материала после водопоглощения или увлажнения мм³.

Теплопроводность – это способность материала в той или иной степени проводить тепло через свою массу. Степень теплопроводности характеризуется величиной коэффициента теплопроводности. Коэффициент теплопроводности показывает какое количество тепла , Дж, будет проходить за время z = 1 c через стену из материала площадью = 1 м² и толщиной = 1 м при разности температур ( ), равное одному градусу Кельвина

= ,

Теплопроводность строительных материалов определяют методом измерения стационарного потока тепла, проходящего через испытываемый материал. Стационарный тепловой поток образуется с помощью двух металлических теплообменников, поддерживающих заданные температуры на противоположных поверхностях образца материала. Плотность теплового потока измеряют с помощью преобразователей теплового потока. Температуру поверхностей материала измеряют термоэлектрическими преобразователями. Установка имеет теплоизоляционный кожух и снабжена прижимным устройством.

Коэффициенты теплопроводности различных строительных материалов изменяются в широких пределах. Чем выше пористость материала, тем ниже теплопроводность, так как коэффициент теплопроводности воздуха, заключенного в порах материалов, значительно меньше теплопроводности любого строительного материала и равен 0,023 Вт/м К.

Профессором Некрасовым В.П. предложена эмпирическая формула, отражающая зависимость коэффициента теплопроводности от средней плотности материала :

= 1,169( -0,14) , Вт/м К.

Эту формулу используют для приблизительных расчетов коэффициента теплопроводности. Строго говоря, не существует единой для всех материалов зависимости между теплопроводностью материала и его плотностью, так как на величину коэффициента теплопроводности оказывает влияние не только степень пористости, но также размер пор и структура материала. Установлено, что теплопроводность увеличивается по мере перехода от аморфной структуры к кристаллической. При равном объеме пор теплопроводность будет тем больше, чем крупнее размер пор. Имеет значение также, будут ли поры замкнутыми или сообщающимися. Явление конвекции, возникающее в крупных сообщающихся порах, увеличивает теплопроводность. Резко возрастает теплопроводность с повышением влажности материала, что связано с высокой теплопроводностью воды, которая в 20 раз больше, чем у воздуха. Влажность строительных конструкций в условиях эксплуатации необходимо учитывать при выполнении теплотехнических расчетов. Следует помнить, что теплопроводность увеличивается с повышением средней температуры, при которой происходит передача тепла.

Теплоемкость – это свойство материалов поглощать тепло при повышении температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материалов , которая показывает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 градус:

= , Дж/кг К,

где - количество тепла, затраченное на нагревание материала, Дж; - масса нагреваемого материала; - разность температур материала до и после нагревания, К.

Огнестойкость – это способность материалов сопротивляться действию огня без разрушения.

В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы подразделяют на три группы: сгораемые, трудносгораемые и несгораемые.

Сгораемые материалы под воздействием огня воспламеняются и продолжают гореть, тлеть или обугливаться при удалении источника огня. К сгораемым материалам относят древесину, битум и большинство пластмасс. Трудносгораемые материалы при наличии огня возгораются, тлеют или обугливаются. При удалении огня процессы горения, тления и обугливания в них прекращаются. К группе трудносгораемых материалов можно отнести фибролит, асфальтобетон и некоторые другие композиционные материалы в составе которых присутствует как минеральное, так и органическое сырье. Несгораемые материалы при действии огня не горят, не тлеют и не обугливаются. Примером несгораемых материалов могут служить стали, природные и искусственные каменные материалы.

Огнеупорность – свойство материалов противостоять, не деформируясь, действию высоких температур. Керамические материалы считают легкоплавкими, если их огнеупорность ниже 1350 °С. Огнеупорность тугоплавких материалов находится в интервале температур от 1350 °С до 1580 °С включительно. Огнеупорные материалы имеют огнеупорность выше 1580 °С.

Определение огнеупорности керамического сырья состоит в изготовлении из него трехгранной усеченной пирамиды и испытании ее нагревом. Эту пирамиду называют пироскопом. Пироскоп должен иметь высоту 30 мм, длина стороны нижнего основания должна составлять 8 мм, а верхнего, соответственно, 2 мм. После сушки пироскоп на огнеупорной подставке нагревают в печи. Огнеупорность керамического сырья соответствует температуре, при которой вершина пироскопа, размягчаясь и оседая, коснется своей вершиной подставки, на которой пироскоп стоит.

Температурное расширение – это способность материала расширяться при нагревании. Температурное расширение материала оценивается с помощью коэффициента линейного теплового расширения , который показывает относительное удлинение материала D при нагревании на = 1 °C:

= , °С^-1

Температурное расширение строительных материалов и конструкций необходимо учитывать при возведении зданий и сооружений, предусматривая в протяженных сооружениях устройство температурных швов.

Термостойкость – это способность материалов выдерживать резкие смены высоких и низких температур. Термостойкость оценивают числом теплосмен, вызывающих предельно допустимую потерю прочности материала или числом теплосмен, вызывающих разрушение образцов материала.

Морозостойкость – это способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное циклическое замораживание и оттаивание.

Вода, находящаяся в порах, замерзает с увеличением объема почти на 9%. Это создает в порах материала внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин и снижению прочности материала.

Марка материала по морозостойкости соответствует тому максимальному количеству циклов, после которого обеспечивается сохранение контролируемых показателей (прочности, массы) в пределах норм, установленных соответствующими стандартами.

Метод попеременного замораживания и оттаивания при испытании на морозостойкость был предложен русским ученым Н.А. Белелюбским на международной конференции по испытанию материалов в Дрездене и до настоящего времени применяется во всех странах. Замораживание образцов производят при температуре –15…-20 °С, так как при этой температуре обеспечивается замерзание воды в большинстве мелких пор и капилляров. Оттаивание образцов осуществляют в воде при комнатной температуре 18 2 °С.Такой метод определения морозостойкости является длительным, поскольку для проведения одного цикла испытаний затрачиваются 1 рабочий день В связи с тем, что в ряде случаев , требуется проведение 300 и более циклов, разработаны и ГОСТами предусмотрены, наряду с традиционным, ускоренные методы испытания на морозостойкость. Они основаны на использовании в качестве насыщающего раствора не воды, а растворов солей. Например, для определения морозостойкости бетонов применяют метод, предусматривающий насыщение образцов бетона 5 %-ным водным раствором хлорида натрия. Один цикл ускоренного метода приравнивается к 3…6 циклам традиционного метода. Еще более ускоряет испытание на морозостойкость бетона замораживание образцов в 5 %-ном растворе хлорида натрия при температуре –50 °С. Разработан метод ускоренного испытания бетонов на морозостойкость, основанный на измерении объемных деформаций материалов при однократном замораживании.замораживании.

Паропроницаемость - это способность материалов пропускать водяной пар при наличии перепада парциальных давлений на противоположных сторонах. Паропроницаемость материала характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который показывает количество водяного пара Q, мг, проходящее через плоскую однородную стенку из материала толщиной = 1 м и площадью = 1 м² в течение времени = 1 ч при разности парциальных давлений водяного пара у противоположных поверхностей, равной ( ) = 1 Па:

= , мг/м ч Па

Для определения коэффициента паропроницаемости газобетона образец материала помещают в термостат с температурой воздуха 20 2 °С. Боковые грани образца покрывают пароизоляцией. Пространство под образцом изолировано сбоку металлическим кожухом , снизу – слоем резины. В этом пространстве размещают сосуд с насыщенным раствором сульфата калия, что обеспечивает под образцом стабилизацию относительной влажности воздуха на уровне 97 %. Над образцом в термостате поддерживается относительная влажность воздуха 54% за счет присутствия сосуда с насыщенным раствором азотнокислого магния. После установления стационарного потока водяного пара через образец, периодическим взвешиванием сосуда определяют количество водяного пара, проходящего через слой материала в течение часа.

Газопроницаемость (воздухопроницаемость) – это способность материалов пропускать через свою толщу газ (или воздух) при наличии перепада парциальных давлений газа (или воздуха) на противоположных поверхностях. Газопроницаемость материалов оценивается с помощью коэффициента газопроницаемости i, который показывает количество газа, кг, проходящее через плоскую однородную стенку из материала толщиной =1 м и площадью =1 м² в течение времени =1 ч при разности парциальных давлений газа у противоположных поверхностей ( )= 1Па

i = , кг/ м ч Па

Звукопроницаемость - это способность материалов пропускать звук. Снижение уровня шума в зданиях и сооружениях достигается применением в строительстве материалов с пониженной звукопроницаемостью. Звукопроницаемость характеризуется коэффициентом звукопроницаемости , который показывает отношение интенсивности звука, переданного через слой материала , Дж/м²с, к интенсивности звука, падающего на поверхность материала :

= .

Звукопоглощение – способность строительного материала поглощать звук. Звукопоглощение характеризуется коэффициентом звукопоглощения , который показывает отношение неотраженной материалом звуковой энергии ( ) к энергии, падающей на него :

= .

Акустические материалы с повышенной звукопоглощающей способностью применяют для внутренней облицовки помещений с целью обеспечения оптимальных условий слышимости.

Радиоактивность. Практика показывает, что строительные материалы в той или иной степени сами могут являться источниками радиации, содержащими естественные радионуклеиды, в частности, изотопы радия , тория и калия . Поэтому они нуждаются в радиационно-гигиеническом контроле. Активность изотопа в радиоактивном источнике– это величина, равная отношению числа ядер , распавшихся в изотопе, к промежутку времени , за которое произошел распад : = , Бк. Единица активности нуклеида 1 Беккерель равна 1 распаду в секунду. Массовая активность – это величина, равная отношению активности источника к его массе: = , Бк/кг.

Для практических целей при радиационно-гигиенической оценке строительных материалов используют показатель удельной эффективной активности естественных радионуклеидов , которую рассчитывают по формуле:

= , Бк/кг.

Измерения массовой активности естественных радионуклеидов в материалах осуществляют с помощью переносных радиометром типа РКП-305МС. Для возведения жилых и общественных зданий разрешается применять материалы с показателем удельной эффективной активности естественных радионуклеидов, не превышающей 370 Бк/кг.

Способность материалов защищать от радиации. Наибольшей проникающей способностью обладает - излучение. Способность материала защищать от радиации принято характеризовать слоем материала, ослабляющего интенсивность - излучения вдвое.

Долговечность - свойство материалов длительно сохранять работоспособность без потери эксплуатационных качеств в заданных условиях. О долговечности материалов принято судить на основе периодического обследования состояния материалов в зданиях и сооружениях. Долговечность можно прогнозировать, моделируя основные эксплуатационные факторы в лабораторных условиях и наблюдая за изменением главных качественных характеристик строительных материалов. Долговечность материалов измеряют сроком службы. Строительными нормами предусмотрены 3 степени долговечности зданий, в зависимости от применяемых материалов: I – соответствует сроку службы 100 лет, II – соответственно 50 лет и III – 20 лет.