Физические свойства строительных материалов характеризуют вещество и структуру материала, а также его способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения химического состава и структуры материала. Основными из них являются:
Общефизические свойства строительных материалов: плотность (истинная, средняя, насыпная), объемная масса, относительная плотность, пористость (общая, открытая, замкнутая);
Гидрофизические свойства строительных материалов: влагоотдача, водопоглощение, морозостойкость, воздухостойкость, гигроскопичность, гидрофобность, гидрофильность, межзерновая пустотность, гидрофобность, влажность, водонепроницаемость, водостойкость, фильтрационная способность (водопроницаемость);
Теплофизические свойства строительных материалов: теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость;
Акустические свойства строительных материалов: звукопоглощение, звукоизоляция, виброизоляция, вибропоглощение;
Механические свойства строительных материалов: предел прочности на сжатие, растяжение, изгиб, твердость, износ, сопротивление удару, упругость, истираемость;
Физические свойства материалов
Химические свойства строительных материалов: коррозионная стойкость, химическая активность, растворимость, кристаллизация;
Технологические свойства строительных материалов: вязкость, пластичность, ковкость, свариваемость, гвоздимость, набухание и усадка, хрупкость и др.
Кроме того, физические свойства включают и механические свойства, которые характеризуют поведение материала при действии на него различных нагрузок. К механическим свойствам относятся: сопротивление материала сжатию, растяжению, изгибу, упругость, пластичность, хрупкость и др.
Источник: stroyremkom.ru
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.
СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
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:
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.
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 20 0 С.
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:
где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mc — масса образца в сухом состоянии.
Водопоглощение по массе Wм (%) определяют по отношению к массе сухого материала
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.
История государства Древнего Египта: Одним из основных аспектов изучения истории государств и права этих стран является.
Обряды и обрядовый фольклор: составляли словесно-музыкальные, драматические, игровые, хореографические жанры, которые.
Источник: poisk-ru.ru
Физические свойства строительных материалов
К физическим относят свойства материалов, характеризующие параметры их состояния и отношение к действию физических факторов: воды, температуры, электрического тока, магнитного поля и др.
Параметры состояния. Важнейшими физическими параметрами состояния материалов являются плотность и пористость.
Плотность определяется отношением массы материала к его объему. Для строительных материалов различают истинную ρ и среднюю плотность ρ0. Истинная плотность (или просто плотность) характеризует массу материала в единице объема принятого в абсолютно плотном состоянии Vа, а средняя плотность — с учетом имеющихся в нем пор и пустот — V:
Для сыпучих материалов наряду со средней плотностью зерен определяют насыпную плотность, учитывающую межзерновую пустотность.
Истинная плотность большинства неорганических материалов составляет 2200-3300 кг/м3, стали — 7600-7900 кг/м3, сплавов алюминия — 2600-2900 кг/м3, полиэтилена — 910-970 кг/м3. Средняя плотность материалов изменяется в широком диапазоне (табл. 3.2), например, для легчайших пористых пластмасс она составляет 10-20 кг/м3, а для наиболее плотных — 2000 кг/м3 и более.
Плотность материалов растет при увеличении давления и уменьшается с повышением температуры. Исключение составляет вода, имеющая максимальную плотность при 4°С. При фазовых превращениях плотность материалов изменяется скачкообразно, увеличиваясь в процессе перехода из жидкого состояния в твердое. Вода, а также чугун и ряд других материалов при затвердевании становятся менее плотными. Плотность материалов определяют пикнометрическим методом, гидростатическим взвешиванием и др.
Для строительных материалов в ряде случаев определяют также относительную плотность ρот как отношение объема вещества в образце к полному его объему или отношение его средней и истинной плотностей:
С плотностью материалов неразрывно связана их пористость. Общую пористость, %, можно определить по формуле:
Для сыпучих материалов общая пористость характеризуется степенью заполнения порами отдельных зерен и объемом межзерновых пустот.
Пористость материалов существенно влияет на ряд их свойств и, в частности, тепло- и электропроводность, прочность, проницаемость.
Различают открытую и закрытую пористость. Открытую (кажущуюся) пористость можно определять по объемному водонасыщению материала. Для более точного определения открытой пористости применяют методы, основанные на вдавливании ртути в поры, пропитывании образцов жидкостью с последующим ее вытеснением, отсасывании воздуха из пор и др. Закрытую пористость определяют с помощью микроскопа, малоуглового рассеивания рентгеновских лучей и др.
Регулирование пористости — эффективное технологическое средство целенаправленного изменения свойств материалов.
При сравнительно небольших значениях пористости (П≤10%) большинство показателей физических свойств изменяется линейно в случае ее увеличения и может быть рассчитано по формуле:
где γ — показатель свойства пористого материала; γ0 — показатель свойства материала без пор; К — коэффициент, зависящий от особенностей структуры материала и конкретного свойства (например, для электро- и теплопроводности среднее значение К составляет 1,5, прочности — 3-6).
В широком интервале пористость связана с показателями физико-механических свойств зависимостью:
Влияние пор на свойства материалов связано не только с их относительным объемом, но и зависит от их размера, формы, открытого или закрытого характера. Например, при одинаковой общей пористости материалы с большим объемом закрытых пор более морозостойки. Увеличение объема открытых пор способствует повышению звукопоглощаемости материалов. Открытая пористость увеличивает химическую активность материалов и снижает их коррозионную стойкость. Строительно-технические свойства материалов, как правило, улучшаются при мелкопористом строении и равномерном распределении пор.
Для дисперсных материалов важной характеристикой является удельная поверхность — площадь поверхности, отнесенная к единице объема или массы. Величина удельной поверхности Sуд обратно пропорциональна размеру частиц. Для частиц шарообразной формы она равна:
где r — радиус частицы.
С увеличением удельной поверхности материалов растет их поверхностная энергия и реакционная способность. Удельную поверхность дисперсных материалов измеряют, определяя сопротивление прохождению воздуха через слой порошка, а также адсорбционным и другими методами.
Энергетической характеристикой состояния материалов является поверхностная энергия — избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела двух фаз. Например, значение поверхностной энергии на границе с воздухом в частности для меди составляет 1,43 Дж/м2 (при 1100°C), силикатного стекла — 0,3 Дж/м2 (при 650°С).
С увеличением температуры поверхностная энергия снижается, она в значительной мере зависит от состава материала, вида и концентрации примесей. Значение поверхностной энергии материалов прямо связано с величиной поверхностного натяжения (а), характеризующего работу перехода атомов из внутренних слоев на поверхность при образовании 1 см2 новой поверхности. Поверхностное натяжение определяют для жидкостей с помощью достаточно разработанных экспериментальных методов. О величине поверхностной энергии твердых тел судят с помощью расчетных методов и, косвенно, измерением некоторых механических характеристик.
В соответствии с уравнением Гиббса-Гельмгольца свободная удельная поверхностная энергия определяется из уравнения:
где Tdσ/dT — теплота образования единицы поверхности.
Эффективным средством увеличения поверхностной энергии материалов является их механо-химическая обработка.
Гидрофизические свойства. Эта группа свойств материалов отражает их отношение к воде. Физическое взаимодействие воды (как и других жидкостей) с поверхностью твердых тел проявляется в смачивании, обусловленном силами молекулярного взаимодействия. Смачивают твердую поверхность лишь те вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение твердого тела на границе раздела с воздухом.
Способность твердого тела смачиваться определяется, прежде всего, химической природой его поверхности и природой смачивающей жидкости. Водой смачиваются гидрофильные — обычно высокополярные вещества с ионной или полярной связью, т.е. большинство строительных материалов, таких как бетон, керамика, древесина и др.
Для гидрофобных материалов — битумов, дегтей, синтетических полимеров и др., характерна низкая полярность молекулярных сил, действующих на границе с воздушной средой. Такие материалы смачиваются неполярными жидкостями, например, жидкими углеводородами, т.е. веществами, родственными им по химическому строению. Мерой смачиваемости является краевой угол θ, образуемый каплей жидкости на твердой поверхности. Для гидрофильных материалов угол θ острый, для гидрофобных — тупой (рис. 3.15).
Степень гидрофобности материалов можно существенно изменять обработкой их поверхностно-активными веществами (ПАВ). Замечательным примером гидрофобизации в технологии строительных материалов является получение гидрофобного цемента помолом цементного клинкера с введением добавок гидрофобизующих ПАВ — жирных кислот и их солей. Получила распространение также поверхностная гидрофобизация материалов кремнийорганическими жидкостями.
Пористые гидрофильные материалы гигроскопичны, т.е. способны поглощать влагу из окружающего воздуха.
Гигроскопичность обусловлена адсорбцией воды на поверхности материала и ее конденсацией в микрокапиллярах. Процесс гигроскопического увлажнения является обратимым и поглощение влаги из воздуха идет до установления равновесия. Гигроскопическая влажность материалов зависит от многих факторов. Она увеличивается с повышением относительной влажности и снижением температуры воздуха, уменьшением воздушных тепловых потоков, ростом удельной поверхности материалов. Она зависит также от химико-минералогического состава материалов и их растворимости.
Гигроскопическая влажность в зависимости от вида материалов изменяется в широких пределах — для большинства неорганических материалов в диапазоне 1-3%, древесины — 12-18%. Гигроскопическое увлажнение обычно ухудшает качество строительных материалов: снижает активность цемента, приводит к набуханию древесины и снижению ее прочности, увеличению теплопроводности теплоизоляционных материалов и пр.
При непосредственном контакте материалов с водой они увлажняются в результате капиллярного всасывания, диффузии и гидростатического заполнения водой открытых пор.
Капиллярное всасывание вызывается силами поверхностного натяжения, возникающими на границе раздела двух фаз — твердой и жидкой.
С явлением капиллярного всасывания связан подъем воды в бетоне, кирпичной кладке, который может достигать значительной высоты. Капиллярное всасывание снижает стойкость к химической коррозии и морозостойкость строительных материалов. При капиллярном всасывании минерализованных вод в порах природных и искусственных каменных материалов отлагаются соли (солевая коррозия) при одновременном испарении из них воды. Такой процесс сопровождается сильным давлением кристаллов на стенки капилляров, что вызывает разрушающие напряжения. Соответствующая капиллярному давлению высота подъема воды h может быть найдена из уравнения:
где σ — поверхностное натяжение воды на границе с воздухом (при 20°С равное 0,0728 Н/м); φ — краевой угол смачивания; g -ускорение свободного падения; ρв — плотность воды; r — радиус капилляров.
Из уравнения (3.29) следует, что у гидрофобных материалов, для которых φ≥90°, функция cos φ принимает отрицательное значение и капиллярного всасывания не будет наблюдаться. При этом возникающее капиллярное давление препятствует проникновению воды в поры. Например, гидрофобизованный материал с диаметром пор около 10 мкм может сопротивляться гидростатическому давлению, равному примерно 0,03 МПа.
Возможность увлажнения материалов за счет капиллярного всасывания необходимо учитывать при эксплуатации зданий и сооружений. Например, для предотвращения увлажнения грунтовыми водами нижних частей зданий устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий их от фундаментов. Капиллярное всасывание можно использовать для пропитки пористых материалов защитными составами.
Диффузионное увлажнение характерно для таких высокоплотных материалов как битумы и полимеры. Скорость проникновения воды в результате диффузии, например, в среде вязкого битума составляет около 1.0 мм/сут. Она существенно зависит от температуры.
Степень заполнения пор материалов водой характеризуется их водопоглощением. Различают водопоглощение:
где m1 — масса образца, насыщенного водой; m — масса сухого образца; V — объем сухого образца.
Из уравнений (3.30) и (3.31) следует взаимосвязь этих показателей:
При увлажнении материалов их механические свойства могут существенно изменяться за счет создания адсорбционно-активной среды и расклинивающего действия тонких пленок воды (эффект П.А. Ребиндера), растворения контактов срастания кристаллов, набухания глинистых минералов и др. Способность материалов сохранять прочность в насыщенном водой состоянии — водостойкость, характеризуется коэффициентом размягчения:
где Rн — прочность образца в насыщенном водой состоянии; Rс -прочность сухого образца.
Коэффициент размягчения может изменяться практически от нуля (воздушная известь, размокающая глина) до единицы (металлы, полимеры). Для гидравлических вяжущих и бетонов, твердеющих в водной среде, при отсутствии коррозионного воздействия величина Kр может быть больше единицы.
К водостойким относятся материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8. Повышение водостойкости обеспечивается понижением растворимости и пористости материалов, их гидрофобизацией, пропиткой и покрытием водостойкими составами.
Разрушающее воздействие воды особенно велико при попеременном ее замораживании и оттаивания в порах материала. Оно объясняется развитием значительных внутренних напряжений в результате циклически повторяющегося в заполненных водой порах процесса кристаллизации льда, сопровождающегося увеличением объема.
По мере чередования циклов замораживания и оттаивания в материале накапливаются остаточные деформации, вызывающие разрушения усталостного типа. Разрушению бетона при циклическом замораживании и оттаивании способствуют также гидравлическое давление, создаваемое в порах материалов водой, оттесняемой льдом, и напряжения, возникающие в результате различия коэффициентов термического расширения отдельных компонентов. Интенсивность разрушения увеличивается по мере увеличения водопоглощения, объема открытых пор, понижения температуры замораживания, т.е. увеличения, в конечном счете, объема льда, образуемого в материале. На морозостойкость, т.е. способность материалов в увлажненном состоянии сопротивляться попеременному замораживанию и оттаиванию, влияет также характер напряженного состояния материалов.
Количественно морозостойкость материалов оценивается нормированными показателями — марками, равными числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы при допустимом снижении их прочности (в пределах 5-25%) или массы (не более 5%). Морозостойкость материалов изменяется в широком диапазоне в зависимости от вида материала, его состава, характера пористости и т.д. Например, для кирпича установлены марки по морозостойкости F15-F50, для тяжелого бетона -F50-F1000.
Морозостойкость характеризуют также коэффициентом морозостойкости:
где R2 и R1 — пределы прочности при сжатии образцов материала в водонасыщенном состоянии соответственно подвергнутых и не прошедших испытание.
Испытание водонасыщенных образцов на морозостойкость проводят в морозильных камерах последовательным замораживанием и оттаиванием образцов. Образование льда в наиболее характерных капиллярных порах материалов происходит при температуре от -15 до -20°С. Для ускоренного испытания на морозостойкость образцы испытывают в солевых растворах и при более низких температурах. Показателем деструктивных изменений в материале, который используют также при ускоренных испытаниях, являются остаточные деформации и видимые разрушения в виде шелушения поверхности образцов, появления сетки микротрещин и др. (рис. 3.16).
Увеличение морозостойкости материалов достигается, прежде всего, уменьшением открытой доступной для воды пористости, а также увеличением объема закрытых равномерно распределенных воздушных пор, размером менее 0,5 мм при оптимальном расстоянии между ними. Такие поры служат «резервными» емкостями, куда отжимается замерзающая вода, что снижает возникающие напряжения. На морозостойкость положительно влияют повышение водостойкости материалов и их прочности на растяжение.
Теплофизические свойства. В данную группу входит ряд свойств, характеризующих отношение материалов к тепловому воздействию.
Мера тепловой энергии, необходимая для повышения температуры материалов на один градус, называется теплоемкостью. Ее определяют экспериментально с использованием калорим на основе уравнения теплового баланса системы. Теплоемкость зависит от химического состава и строения материалов, их температуры и влажности.
Удельная теплоемкость, т.е. теплоемкость единицы массы или объема вещества, природных и искусственных каменных материалов изменяется в широких пределах (табл. 3.4, рис. 3.17).
Для органических материалов теплоемкость значительно выше, чем для неорганических.
Теплоемкость (С) практически линейно растет с увеличением температуры:
Начиная с т.н. температуры Дебая, соответствующей максимально возможной частоте колебаний атомов в узлах кристаллической решетки без ее разрушения (0,2-0,5 температуры плавления), повышение теплоемкости с увеличением температуры становится незначительным.
Теплоемкость материалов учитывают при конструировании ограждающих конструкций, в том числе теплостойких (стены, перекрытия, печи, сушилки и др.), расчете термосного режима твердения бетона и др.
При наличии разности температур в материалах происходит передача теплоты в направлении от менее нагретых к более нагретым участкам, обусловленная колебательным движением частиц (керамика, природные камни, стекло) или движением свободных электронов (металлы). Это явление получило название теплопроводности. Для минеральных кристаллических материалов теплопроводность уменьшается с повышением температуры, а для аморфных материалов характерна обратная зависимость. С повышением температуры уменьшается также теплопроводность металлов.
Мерой теплопроводности материала является количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу его поверхности при градиенте температур в 1°С/м, получившее название коэффициента теплопроводности λ. Ее находят экспериментально, основываясь на законе теплопроводности Фурье:
где Q — количество теплоты, Дж; F — площадь сечения, перпендикулярная направлению теплового потока, м2; Δt — разность температур, °С; δ — толщина материала, м; τ — время, с.
В наибольшей степени на теплопроводность влияет пористость материалов (рис. 3.18). По мере увеличения объема пор в материалах они в большей мере могут заполняться воздухом, имеющим наименьшую теплопроводность из известных веществ. Ниже для сравнения приведена теплопроводность некоторых материалов λ, с различной средней плотностью и, соответственно, пористостью:
Для снижения теплопроводности материалов желательно создание мелкопористого строения, при котором незначителен перенос теплоты за счет конвекции, т.е. перемещения нагретого воздуха в порах. Теплопроводность уменьшается также по мере усложнения химического состава материалов, перехода от кристаллической структуры к аморфной.
Предложен ряд формул для расчета теплопроводности в зависимости от пористости. Наиболее простые из них, рекомендованные к использованию до температуры 500°С, имеют вид:
где λ — теплопроводность пористого материала; λ0 — теплопроводность материала при отсутствии пор; П — общая пористость (в частях единицы); К — коэффициент, учитывающий особенности состава и структуры материала.
Для расчета ориентировочного значения теплопроводности воздушносухих (влажностью 1-7%) минеральных материалов в зависимости от плотности В.П. Некрасов предложил формулу:
где d — относительная плотность.
Теплопроводность металлов с повышением температуры уменьшается, для большинства других материалов возрастает. Это особенно необходимо учитывать при выборе материалов для тепловой изоляции паропроводов, котельных установок и др.
Расчетные значения теплопроводности материалов линейно изменяются с изменением влажности W:
где Δλ — прирост теплопроводности, % на каждый процент изменения влажности материала (для минеральных материалов Δλ=0,0023 при положительных температурах и 0,047 — при отрицательных); λс — теплопроводность сухого материала.
В порах материалов диаметром 0,027-0,1 мм теплопроводность воздуха при 0°С составляет 0,024-0,031Вт/(м °С), воды — 0,58, льда -2,326 Вт/(м °С).
Теплопроводность — один из определяющих показателей качества теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов. С теплопроводностью однозначно связано термическое сопротивление Rт, характеризующее сопротивление материалов теплопередаче:
где δ — толщина материала.
Величина термического сопротивления — один из важнейших нормируемых показателей для ограждающих конструкций, устанавливаемый в зависимости от температурной зоны их эксплуатации. Например, для наружных стен из кирпича, камней и мелких блоков при использовании утеплителей термическое сопротивление принимается равным 1,7-2,2, покрытий и перекрытий — 2-2,7, окон и балконных дверей — 0,39-0,5 (м2 °С)/Вт. Для многослойных ограждающих конструкций величина термического сопротивления вычисляется по формуле:
где δi, λi — толщина и коэффициент теплопроводности i-гo слоя конструкции.
Увеличение амплитуды колебаний атомов и молекул при нагревании приводит к изменению межатомного расстояния и тепловому расширению твердых тел. Для характеристики теплового расширения используется обычно температурный коэффициент линейного расширения αр (коэффициент термического расширения — к.т.р.), учитываемый при устройстве температурных швов, нанесении защитных покрытий, подборе составов композиционных материалов. Он характеризуется относительным удлинением образца при нагревании его на 1°С:
где Δl — изменение размера образца после нагревания; l — начальный размер образца; Δt — изменение температуры при нагревании образца.
Температурный коэффициент линейного расширения органических материалов значительно больше, чем неорганических. Так, если для кварцевого стекла он равен 0,5*10в-6, дюралюминиевого сплава — 2,2*10в-6, стали — 12*10в-6, то для поливинилхлорида αр = (80. 90)*10в-6; полиэтилена — (l60. 230)*10в-6 град-1.
С уменьшением температурного коэффициента линейного расширения возрастает термостойкость — способность материалов сохранять механические характеристики при одно- и многократных термических воздействиях.
К материалам высокой термостойкости относятся материалы с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим 45 10в-7 град-1. Например, изделия из плавленого кремнезема (αрТермостойкость материалов определяют температурой, нагревание до которой с последующим быстрым охлаждением резко уменьшает прочность материалов.
Возможна характеристика термостойкости числом теплосмен, выдерживаемым материалом при определенной температуре. Термостойкость характеризуют также в форме критериальной зависимости, например, в виде отношения прочности к величине термических напряжений. Последние могут быть вызваны градиентами температур, анизотропией температурного коэффициента линейного расширения, локальными химическими реакциями и полиморфизмом. Термостойкость материалов увеличивается с повышением их теплопроводности и прочности, уменьшением модуля упругости, увеличением их однородности.
Способность материала противостоять действию высоких температур, не расплавляясь, называют огнеупорностью. Ее характеризуют обычно температурой, при которой образец пирамидальной формы при деформации касается вершиной основания. Высокая огнеупорность и температура плавления характерны для однокомпонентных систем (например, чистых оксидов). Для многокомпонентных материалов появление расплава и соответственно размягчение при нагревании наблюдается при более низких температурах.
К огнеупорным относятся материалы с огнеупорностью 1580-1770 (динасовые, кварцевые, шамотные и др.), высокоогнеупорными — выше 1770°С (высокоглиноземистые, хромитовые, карборундовые и др.).
Для материалов, работающих при высоких температурах, решающее значение могут иметь свойства сопротивляться деформированию и противостоять химическому разрушению — жаропрочность и жаростойкость. Примерами жаропрочных материалов являются сплавы на основе железа, никеля и кобальта, сложные металлооксидные, металлокарбидные и другие композиционные материалы.
Различают металлические, керамические, керамикометаллические, углеграфитовые, стеклокристаллические жаростойкие материалы. Жаростойкость можно улучшить армированием с помощью нитеобразных кристаллов и поликристаллических волокон или нанесением жаростойких покрытий.
Способность материалов не ухудшать физико-механические свойства под действием открытого пламени характеризует их огнестойкость. Предел огнестойкости строительной конструкции измеряется продолжительностью действия открытого пламени до появления сквозных трещин или отверстий, через которые свободно проникают огонь и продукты горения. Предел огнестойкости достигается также тогда, когда повышение температуры на необогреваемой поверхности составляет более 220°С и конструкция теряет несущую способность. Для незащищенных металлических конструкций предел огнестойкости составляет 0,5 ч, железобетона — 1-2, бетона — 2-5 ч.
Главным показателем пожарной безопасности материалов является их сгораемость. По сгораемости строительные материалы разделяют на три группы:
• несгораемые, не способные гореть на воздухе;
• трудносгораемые — способные воспламеняться под воздействием источника горения, затухающие после его удаления;
• сгораемые — способные самостоятельно гореть в воздушной среде.
К несгораемым относятся природные и искусственные неорганические материалы, трудносгораемым — материалы, состоящие из несгораемых и сгораемых компонентов (асфальтобетон, бетонные изделия на органических заполнителях и др.), сгораемым — многие органические материалы без добавок антипиренов (аммонийных, борно- и фосфорнокислых солей, и др.).
Оптические свойства. Для многих, особенно отделочных строительных материалов, важное значение имеют такие оптические свойства, как цвет, блеск, прозрачность.
Цвет материалов физически можно объяснить избирательным поглощением видимой области спектра. Различают две группы цветовой окраски: ахроматическую (черно-белую), имеющую переходные оттенки, и хроматическую с определенной насыщенностью цвета, т.е. степенью приближения к чистой спектральной окраске. К основным спектрально чистым цветам, получаемым при разложении белого луча, проходящего через прозрачную призму, относят красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Учитывая ассоциативное восприятие цвета, различают оттенки льда и огня или холодные (коротковолновые — голубые, синие, фиолетовые) и теплые (длинноволновые — красные, оранжевые, желтые).
Цвет природных минеральных материалов обусловлен характером электронного взаимодействия слагающих их элементов, а также структурными дефектами, видом и концентрацией примесей.
Хромофорные свойства, т.е. способность придавать материалам определенный цвет имеют ионы переходных металлов — титана, ванадия, хрома, железа, марганца, кобальта, никеля и меди. Особое место среди хромофоров принадлежит железу. Наиболее интенсивную окраску дает Fe3+ (красную, бурую, желтую, зеленую). Ион Fe2+ вызывает более бледную, чем Fe3+ зеленоватую и голубоватую окраску. Сочетание ионов Fe3+ и Fe2+ придает сине-черную окраску минералам.
На цвет минералов существенно влияют также условия их образования, главным образом, температура и характер окружающей среды.
Примеси, вызывающие окраску минералов, могут быть неорганическими и органическими, твердыми, жидкими и газообразными. Наиболее интенсивное окрашивание минералам придают тонкодисперсные примеси.
Для получения разнообразных цветных смесей в строительстве применяют преимущественно минеральные краски (пигменты), представленные, в основном, оксидами и солями как природного, так и искусственного происхождения.
Блеск — свойство материалов отражать падающий на них свет. Количественно он выражается коэффициентом отражения Котр, функционально связанным с показателем преломления n, а для непрозрачных материалов и коэффициентом поглощения Кпогл:
Для минералов, слагающих природные каменные материалы, часто (до 70%) встречается стеклянный блеск (n=1,5-1,8), реже (до 1-2%) — алмазный и металлический блеск (n=2,7-3,4). Блеск зависит от гладкости поверхности материалов. Высокого блеска поверхности достигают, полируя ее или используя глазури и эмали.
Прозрачность — свойство материалов пропускать свет без рассеивания. Мерой прозрачности является коэффициент прозрачности:
где I’ и I0 — соответственно, интенсивность света, прошедшего через поверхность и падающего на поверхность материала.
Светопропускание любого материала экспоненциально связано с коэффициентом поглощения Кпогл и толщиной поглощающего слоя δ (закон Ламберта-Байера):
При Kпр=0 материал непрозрачен. Коэффициент прозрачности приближается к единице для оптического стекла, из которого изготавливают линзы и световоды. Наряду с коэффициентом прозрачности используют показатель оптической плотности:
Уменьшить прозрачность материала можно введением различных примесей, образованием микротрещин и относительно крупных дислокаций.
Потеря прозрачности стеклом — глушение обеспечивается образованием мельчайших кристалликов, например, оксидов олова, титана, циркония. Показатели преломления стекла как дисперсионной среды, и кристаллов как дисперсной фазы, должны в глушеном стекле существенно различаться. Этот принцип используют также для глушения лакокрасочных покрытий, содержащих пленкообразующие вещества и пигменты.
Акустические свойства. Для строительных материалов, используемых в ограждающих конструкциях, учитывают при необходимости акустическое сопротивление и звукопоглощение материалов.
Акустическое сопротивление характеризует отношение амплитуды акустического давления и скорости колебаний частиц материала под влиянием этого давления. Удельное акустическое давление находят по формуле:
где Аа.д и Ac — соответственно комплексная амплитуда акустического давления и линейная скорость колебаний частиц среды.
Если не учитывать потери при распространении звуковых волн, то удельное акустическое давление можно найти как произведение скорости распространения звука в данной среде на ее плотность. На значение удельного акустического сопротивления существенно влияет частота колебаний среды. Для определения акустического сопротивления материалов измеряют акустическое давление в трубе, закрытой с одной стороны образцом.
Звукопоглощение материалов характеризуется степенью или коэффициентом поглощения звука. Способность материалов поглощать звук обусловлена их пористостью, она растет с повышением количества открытых пор, максимальный диаметр которых не превышает 2 мм. На средних частотах материалы способны поглощать до 40% звуковой энергии волн. Звукопоглощающие материалы обеспечивают также необходимую длительность реверберации — постепенного затухания звука в помещениях. Длительность реверберации в зависимости от интерьера помещения и частоты колебаний составляет 0,2-2,0 с.
К распространенным звукопоглощающим материалам относятся минераловатные и стекловолокнистые плиты, имеющие открытую пористость не менее чем 75%.
Для повышения звукопоглощения конструкций в области низких частот увеличивают толщину материалов и обеспечивают наличие воздушных прослоек. Высокое звукопоглощение в широком диапазоне частот обеспечивается комбинацией перфорированного покрытия с пористым материалом.
Электрофизические свойства. Одним из основных электрофизических свойств материалов является электропроводность — способность проводить электрический ток. Ее измеряют отношением плотности тока к напряженности электрического поля (удельная электрическая проводимость).
Этот показатель для электропроводных материалов равен 10в4-10в6 Ом-1 см-1 полупроводников 10в-10-10в4 Ом-1 см-1, электроизоляционных — менее 10в-10 Ом-1 см-1. Для проводников и полупроводников характерна электронная проводимость, для различных видов электроизоляторов (диэлектриков) — преимущественно ионная. Ионная электропроводность растет с повышением температуры (рис. 3.19).
Примеси, повышая коэффициент диффузии, также способствуют увеличению ионной электропроводности. Влияние пористости на электропроводность близко к ее влиянию на теплопроводность. При наличии сравнительно небольшого количества изолированных равномерно-распределенных пор электропроводность уменьшается почти пропорционально увеличению пористости. При повышенной пористости влияние ее на электропроводность возрастает.
Характерными твердыми электропроводными материалами являются металлы и их сплавы, электроизоляционными — керамика, стекло, слюда, асбест.
Свойством обратным электропроводности является электрическое сопротивление. Оно зависит от минерального и химического состава, структуры и влажности материала, давления и температуры (рис. 3.20). Например, оксиды SiO2, MgO, Al2O3 повышают электрическое сопротивление, a Na2O, H2O, Fe2O3, FeO — уменьшают.
Характерным процессом для материалов, входящих в группу диэлектриков, является поляризация — ограниченное смещение зарядов или ориентация дипольных молекул. Поляризация диэлектриков сопровождается рассеиванием энергии, что вызывает их разогрев. Об эффекте поляризации судят по значениям диэлектрической проницаемости и величине угла диэлектрических потерь.
Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях эксплуатации. При более высоких напряжениях наступает явление пробоя диэлектриков и полная потеря им изоляционных свойств. Способность материалов выдерживать напряжение (электрическая прочность) характеризуется величиной пробивной напряженности электрического поля.
где ARa, ATh, Ак — удельные активности соответственно радия-226, тория-232 и калия-40.
По величине суммарной удельной эффективной активности радионуклидов строительные материалы разделяют на классы, для которых установлены возможные области использования (табл. 3.5).
Источник: ctcmetar.ru
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Строительные материалы обладают комплексом физических свойств, т. е. способностью реагировать на воздействие физических факторов — гравитационных, тепловых, водной среды, акустических, электрических, излучения (ядерного, рентгеновского и др.). Ниже рассмотрены некоторые свойства, методы и приборы для их оценки в числовых показателях.
Средняя плотность характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная физическая характеристика определяется путем деления массы т образца на его объем vo и выражается ро = mlvo в г/см 3 , кг/м 3 или кг/дм 3 . Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные приемы измерения объема образцов и неправильной формы. При влажных образцах отмечается величина влажности, при которой определялась средняя плотность.
Среднюю плотность рыхлых материалов, например, песка, щебня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлом насыпанном объеме материала.
Истинная плотность — масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоянии. Определяется как отношение массы т материала, выраженной в г или кг, к объему v его в абсолютно плотном состоянии: р = m/v. Размерность истинной плотности г/см 3 , кг/м 3 .
Величина р, как правило, больше ро, так как подавляющее количество материалов содержат поры, трещины, каверны.
Пористость — степень заполнения объема материала порами: определяют ее по формуле
Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим размерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением специальных методов: сорбционного, ртутной порометрии, капиллярного всасывания и др.
Известны многочисленные эмпирические формулы, полученные из опытных данных применительно к различным материалам, в той или иной мере воспроизводящие указанную выше зависимость Rn = ДП). Опытные данные показывают, что при увеличении пористости от нуля до 20 % прочность снижается почти линейно. Впрочем, возможны и «аномалии», особенно среди обжиговых ИСК, когда прочность повышается с повышением пористости, например, при обжиге шпинслидных огнеупоров.
От пористости зависят и другие качественные характеристики, например, способность проводить теплоту и звук, поглощать воду. От пор отличаются полости в структуре, именуемые пустотами. Они значительно крупнее пор, отчетливо видны и расположены между зернами насыпного материала. В отличие от пор вода в пустотах, особенно в широкополостных, не задерживается.
На величину прочности влияют и размеры пор. Она возрастает с уменьшением размера пор. Мелкозернистые материалы и, следовательно, мелкопористые, имеют повышенную прочность по сравнению с крупнозернистыми. При этом в меньшей мере снижают прочность закрытые поры, а не открытые, сквозные, обычно по своей форме остроконечные. Имеет значение и местоположение пор.
В крупных зернах заполнителя они для прочности менее опасны по сравнению с порами в вяжущей, матричной части конгломерата или расположенными в пограничных зонах, нередко именуемыми как структурные поры материала. Прочность зависит также от прочности связующей фазы и межфазовой адгезии.
При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуроустойчивостью, огнестойкостью и другими теплофизическими свойствами.
Теплопроводность — способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство характеризуется теплопроводностью X, которая показывает количество теплоты, проходящее через плоскую стенку толщиной 1 м и площадью 1 м 2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в ГС в течение 1 ч. Величина X имеет размерность Вт/(м К) и может служить убедительной сравнительной характеристикой при оценке теплозащитных свойств различных изотропных материалов в одномерном температурном поле. Она зависит, главным образом, от пористости материала: содержащийся в порах воздух, особенно в замкнутых порах, является малотеплопроводной средой. Воздух при атмосферном давлении и температуре +20°С имеет теплопроводность X = 0,023 Вт/(м К), а при температуре +100°С — 0,0306 Вт/(м К), при 1000°С — 0,0788 Вт/(м К).
С повышением температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется повышением кинематической энергии молекул, слагающих вещество материала: X, = Хо (1 + р£), где Х,иХо — теплопроводность соответственно при температурах t и 0°С; р — температурный коэффициент, который показывает величину приращения коэффициента теплопроводности материала при повышении температуры на 1°С; t — температура материала, °С. Эта формула справедлива только при
температурах не выше t = 100°С; при более высоких значениях t величину X, определяют опытным путем.
С увлажнением теплопроводность материала возрастает, так как теплопроводность воды при 20°С равна 0,590 Вт/(м К), а при 100°С — 0,656 Вт/(м К). Если в порах вода замерзает, то теплопроводность материала еще больше увеличивается, поскольку лед имеет X = 2,1, т. е. в 4 раза больше, чем вода.
В справочной литературе приводятся значения X различных строительных материалов в сухом состоянии при 20°С; они используются при тепловых расчетах и для решения практических задач. В качестве примеров следует отметить, что гранит имеет теплопроводность 3,2—3,5, а кирпич керамический 0,80—0,85; бетон тяжелый — 1,0—1,5; минеральная вата, применяемая как утеплитель, — 0,06—0,09; мипора — 0,04— 0,05 Вт/(м К) и т. д. Следует отметить, что упомянутые материалы являются гетерогенными системами и в их отношении удобнее для практики квалифицировать так называемую эффективную теплопроводность. Она слагается из процессов передачи теплоты через конденсированные (твердые) фазы, поры (газы) и границы пор с твердым веществом. Эффективная теплопроводность твердых тел равна сумме этих процессов, определяемых экспериментально.
Теплоемкость характеризует способность материала аккумулировать теплоту при нагревании, причем с повышением теплоемкости больше может выделяться теплоты при охлаждении материала. Температура в комнате, например, может сохраняться устойчивой более длительный период при повышенной теплоемкости использованных материалов для пола, стен, перегородок и других частей помещения, поглощающих теплоту в период действия отопительной системы. Это свойство материала оценивается с помощью так называемой удельной теплоемкости, которая показывает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°С. Различают истинную теплоемкость при данной температуре и среднюю — в интервале температур. Удельную теплоемкость С иначе называют коэффициентом теплоемкости и численно определяют из выражения
где Q — количество теплоты, затраченное на нагревание материала; т — масса материала, кг; ti-t — разность температур материала до и после нагревания, °С. Ее размерность Дж/(кг-К).
Коэффициент теплоемкости воды равен 4,2-10 3 Дж/(кгК). Строительные материалы в сухом состоянии имеют более низкие значения этого коэффициента, например, каменные материалы (естественные или искусственные) — от 0,75-10 3 до 0,94 10 3 , лесные материалы — от 2,42-10 3 до 2,75 1 0 3 Дж/(кгК), сталь — 0,50-10 3 Дж/(кгК) и т. п. С увлажнением материала коэффициенты теплоемкости возрастают, вместе с тем возрастают и значения теплопроводности. Иногда требуется знать величину удельной объемной теплоемкости, например, при расчете размеров печи. Под этой характеристикой понимается количество теплоты, необходимое для нагревания 1 м 3 материала на 1°С.
Показатели теплопроводности и теплоемкости позволяют определять величину так называемого коэффициента теплоусвоения, характеризующего способность материала воспринимать теплоту при колебаниях температуры окружающей среды. В формулу для подсчета коэффициента теплоусвоения кроме упомянутых двух теплофизических значений входят также величины средней плотности и периода колебания температуры.
Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.
Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например, гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров.
Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. К таким материалам относятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них — древесина, войлок, битумы, смолы и др.
Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорными являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей.
Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например, жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы и др.
Температуростойкостъ или термостойкость — способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и способности каждого компонента к тепловым расширениям.
Последняя характеризуется коэффициентом теплового расширения — линейным или объемным. Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1°С, а объемный характеризует увеличение объема 1 м 3 материала при нагревании его на 1°С.
Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше температуростойкость, большее количество циклов резких смен температуры материал может выдержать без нарушения сплошности. Для цементного бетона линейный коэффициент теплового расширения равен (10—14)-10-*, для древесины вдоль волокон (3—5)-10″*, для стали (11—12)10-*.
Термическое расширение является упругим, и оно полностью обратимо. В основе возможного разрушения структуры лежат явления, под влиянием которых в материале возникают напряжения. Они возникают либо вследствие градиента температур, либо под влиянием изотропии теплового коэффициента линейного расширения. В обоих случаях возникновение и развитие напряжений связано с отсутствием условий для свободного изменения объема материала в элементах конструкции.
Отношение материала к статическим или циклическим воздействиям воды или пара характеризуется величинами водопоглощаемости, гигроскопичности, водопроницаемости, паропроницаемости, водостойкости. Эти важные физические свойства учитывают при работе материалов в условиях воздействия водно-паровой среды.
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 или полного водопоглощения достигают кипячением его в воде, если температура 100°С не влияет на состав и структуру материала. Выдерживают образцы в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.
Величина водопоглощаемости [1] определяется по массе: В = (М2 — -Л/і)100/Л/і, %, или по объему: Во = (М2 — Л/і)- 100/v, где М — масса до водопоглощения; М2 — масса после водопоглощения; v — объем образца. Водопоглощаемость меньше пористости, так как не все поры заполняются водой и удерживают ее.
Сходная величина водонасыщаемости определяется после насыщения материала (образца) водой под давлением 0,2—0,3 МПа или 0,1 МПа при условии, что в порах был предварительно создан вакуум с помощью специального вакуум-насоса. Водонасыщаемость всегда больше водопоглощаемости, так как при принудительном пропитывании под давлением заполняются не только крупные, но и тонкие поры и капилляры, недоступные воде при обычном процессе водопоглощения.
Гигроскопичностью называется способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха, парциального давления смеси. С увеличением относительной влажности и со снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается.
За характеристику гигроскопичности принята величина отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температуре +20°С к массе сухого материала.
Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Она измеряется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре +20°С. Влага, находящаяся в тонких порах и капиллярах, удерживается весьма прочно, особенно адсорбционно-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.
Водопроницаемость — способность материала пропускать через себя воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 ч через 1 см 2 поверхности материала при заданном давлении воды. Иногда она также характеризуется периодом времени, по истечении которого появляются первые признаки просачивания воды под определенным давлением через образец испытуемого материала. Давление воды устанавливается стандартом в зависимости от вида материала.
Паро- и газопроницаемость оценивается с помощью особых коэффициентов, сходных между собой. Они равны количеству водяного пара (или воздуха), которое проходит через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м 2 в течение 1 ч при разности давлений 10 Па.
Водостойкость — способность материала сохранять в той или иной мерс свои прочностные свойства при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости служит отношение предела прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии (/?„) к пределу прочности при сжатии В сухом СОСТОЯНИИ (Лсух).
Это отношение принято называть коэффициентом размягчения (Крз.м). К водостойким относятся строительные материалы, коэффициент размягчения которых больше 0,8, например, гранит, бетон, асбестоцемент и др. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения. На стабильность структуры и свойств материала заметное влияние оказывает попеременное увлажнение и просыхание. Некоторые материалы принято проверять на водостойкость путем циклического насыщения образцов водой и их высушивания.
В жестких условиях находится тот материал, который увлажняется при резких температурных перепадах. Вода, поглощенная материалом, особенно порами в поверхностном слое, замерзает при переходе через нулевую температуру с расширением на 8,5%. Ритмично чередующаяся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием приводит к дополнительным внутренним напряжениям.
Могут возникнуть микро- и макротрещины со снижением прочности, с возможным разрушением структуры. Способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное (циклическое) замораживание и оттаивание без значительных технических повреждений и ухудшения свойств, называется морозостойкостью.
Установлены нормативные пределы допустимого снижения прочности или уменьшения массы образцов после испытания материала на морозостойкость при определенном количестве циклов замораживания и оттаивания. Некоторые материалы, например, бетон, маркируют по морозостойкости в зависимости от количества циклов испытания, которые они выдерживают без видимых признаков разрушения.
Обычно образцы, насыщенные водой, замораживают в специальных морозильных камерах при температуре -17°С, а оттаивание организуют в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одного цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают 200—300 и более циклов. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозостойкость.
В частности, к ним относится испытание на сохранность в солевых растворах при чередующейся кристаллизации соли в порах материала. В отношении некоторых материалов, например, природного камня, о морозостойкости судят по величине коэффициента размягчения. Принято считать, что если коэффициент размягчения не ниже 0,9, то данный материал обладает достаточной морозостойкостью.
К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др. С помощью испытания соответствующих образцов определяют числовые характеристики этих свойств материала и сравнивают с допустимыми по нормам.
Источник: studme.org