ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Главная - ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Большинство строительных материалов — это пористые тела. Поры занимают лишь часть объема тела, остальное приходится на твердую фазу. Объем твердой фазы, взятый за вычетом пор, называют абсолютным объемом Ка. Обозначив объем пор через Кп, получают формулу для вычисления объема материала в естественном состоянии Ке (рис. 1):

V = V + V . (1)

е а п v '

Истинной плотностью р называют отношение массы

материала т к его абсолютному объему Ка:

p = m/Va. (2)

Размерность истинной плотности — кг/м3 или г/см3, другие размерности используют редко.

В строительных конструкциях материал находится в естественном состоянии, т.е. занимаемый им объем обязательно включает в себя и поры. В этом случае для характеристики физического состояния материала ис-

Рис. 1-Соотноше- пользуют понятие средней плотности.

ние объемов в Средняя плотность рт — отношение массы матери-

пористом мате- ала ко всему занимаемому объему, включая имеющиеся

риале в нем ПОрЫ> т е

Рт = т1\- (3)

Поскольку Ve > Va (равенство соблюдается в абсолютно плотных материалах, не содержащих пор, — стали, стекле, битуме, воде), то всегда выполняется и соотношение рт < р. Таким образом, средняя плотность материала, как правило, меньше его истинной плотности.

Пористостью П называют степень заполнения объема материала порами:

П=*УКе- (4)

Пористость — относительная величина, выражаемая в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчитывают по формуле

П=(1-рт/р)Ю0. (5)

10

Ve

\/а Jnm

Плотность и пористость изменяются в широких пределах и оказывают тем самым значительное влияние на свойства. С повышением плотности возрастает и прочность материала. С другой стороны, чем меньше плотность, тем легче становится конструкция. Воздух, находящийся в порах, обладает малой теплопроводностью, и чем выше пористость материала, тем лучше его теплоизолирующие свойства. Поэтому стремятся получить теплоизоляционные материалы с возможно более низкими значениями рт (неболее600кг/м3).

Свойства материала зависят не только от суммарного объема пор. Большое значение имеет характер пористости. Различают открытые и замкнутые поры. Открытые поры сообщаются между собой и выходят на поверхность материала. Поэтому материал с открытыми порами легко насыщается водой. В увлажненном состоянии он начинает хорошо проводить теплоту, так как воздух в порах замещается водой, теплопроводность которой в 25 раз больше. Строительные материалы, обладающие преимущественно открытой пористостью, плохо сопротивляются физическим и химическим коррозионным воздействиям.

В некоторых случаях открытую пористость формируют в структуре материала умышленно. Это относится, например, к звукопоглощающим изделиям, дренажным трубам из керамики или керамзитобетона.

Размеры пор также различны: от нескольких миллиметров до микрометра и менее. В теплоизоляционных материалах стараются формировать поры минимального размера. При этом теплопередача через толщу материала сокращается из-за уменьшения конвекции и лучеиспускания. В гидротехническом бетоне, подвергаемом напорному воздействию воды, также должны содержаться преимущественно мелкие поры, поскольку при диаметре пор менее 1 мкм не происходит фильтрации воды через тело бетона.

Замкнутые поры, не насыщающиеся водой, и полузамкнутые, в которые вода проникает только под давлением, повышают стойкость материала.

Сравнительные характеристики плотности и пористости некоторых строительных материалов приведены в табл. 1.

Для характеристики свойств сыпучих зернистых материалов: цемента, песка, щебня — используют такие понятия, как насыпная ПЛОТНОСТЬ, пустотность кудельная поверхность.

Насыпная плотность рн, кг/м3, равна отношению массы m к объему, занимаемому сыпучим материалом в стандартном рыхлонасышюм состоянии VH, т.е.

PH=rn/VH. (6)

Величина VH включает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами, называемых пустотами. Если для зернистого материала известна насыпная плотность рн и средняя плот-

11

Таблица 1. Плотность и пористость материалов

Материал Р,г/см3 /^.г/см3 П,%

Сталь 7,85 7,85 0

Гранит 2,7...2,9 2,6...2,8 0.3...1.5

Плотный известняк 2,5...2,6 1.6...2.4 8...35

Бетон:

тяжелый 2,6 2,2...2,4 10... 15

легкий 2,6 1.0...1.8 30...60

ячеистый 2,6 0,5...1,0 60...80

Керамический кирпич 2,65 1.6-1,8 30...40

Сосна 1,54 0,45...0,5 65...70

Древесноволокнистая плита 1,5 0.2...0.25 83...87

Полимеры:

стеклопластик 2,0 2,0 0

полистиропьный пенопласт 1,05 0,02...0,04 96...98

ность зерен рт, то можно рассчитать его пустотность а — относительную характеристику, выражаемую в долях единицы или в процентах:

«= О-Р„/Рт) 100. (7)

По физическому смыслу понятия пустотность и пористость аналогичны. При изготовлении бетона и строительного раствора стремятся использовать сыпучие заполнители — песок, щебень или гравий с минимальной пустотностью. В этом случае для заполнения пустот потребуется меньше цемента и бетон будет дешевле.

Активность тонких порошков, например цемента, зависит от размера частиц: чем меньше частицы, тем активнее цемент. К обобщенной характеристике физического состояния порошков относится удельная поверхность, которая представляет собой отношение суммарной площади поверхности всех частиц к массе частиц или занимаемому ими объему. Чаще удельную поверх-

см2/г или м2/г, единичной массе материала тп:

НОСТЬ Луд

относят к

А^ = ЪА/тп, где ~LA — суммарная площадь поверхности частиц.

Значения Ау^, зависят от размера частиц. К примеру, при дроблении кубической частицы с площадью поверхности 2, А — 6д2 пополам образуются две новые поверхности площадью 2д2

Водопоглощение по объему W0, %, характеризует степень заполнения объема материала водой; вычисляют как отношение объема воды Увя при полном насыщении материала к объему материала Ve:

К = (гвл/*У шо- (10>

Водопоглощение по массе легко определить опытным путем. Для этого взвешивают пробу сухого материала т, затем полностью насыщают его водой и определяют массу в водонасыщенном состоянии тпн. Разность тпн — тп равна массе поглощенной воды mBJi.

Сложнее определить W0, %, особенно если образец материала имеет неправильную геометрическую форму, поскольку затруднено нахождение Ve. Однако можно вычислить водопоглощение по объему при известных значениях водопоглощения по массе и плотности материала, используя формулу

где рв — плотность воды, равная 1 г/см3.

Водопоглощение различных материалов, которое зависит от характера пористости, может изменяться в широких пределах. Значения WM составляют для гранита 0,02...0,7 %, тяжелого бетона — 2...4, кирпича — 8...20, легких теплоизоляционных материалов с открытой пористостью — 100% и более. Водопоглощение по объему никогда не превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

13

Величины WM и W0 характеризуют предельный случай, при котором материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных конструкциях материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельно-жидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных паров из воздуха. В этом случае состояние материала характеризуют влажностью.

Влажность W, %, — это относительное содержание влаги в материале, определяемое по формуле

W= (mjm) 100, (12)

где тв — масса воды; т — масса сухого материала.

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины WM, соответствующей максимальному водосодержанию.

Увлажнение приводит к изменению многих свойств материала. Повышается вес строительной конструкции, возрастает теплопроводность. В реальном материале всегда есть множество дефектов структуры, среди которых наиболее опасны микротрещины. Вода обладает расклинивающим действием и, попадая в микротрещины, увеличивает их протяженность. В результате возрастает доля дефектов в структуре, что сказывается на прочности материала.

Водостойкостью называется способность материала сохранять прочность в увлажненном состоянии. Для численной оценки этого свойства используют коэффициент водостойкости кв, определяемый по формуле

где RH и Rc - пределы прочности материала в водонасыщенном и сухом состоянии.

У наиболее водостойких материалов — гранита, тяжелого бетона — значения кв приближаются к единице, у неводостойких — строительного картона, необожженной глины — они близки к нулю. Материалы, у которых кв > 0,8, считаются достаточно водостойкими; их разрешается применять в сырых местах без специальных защитных покрытий.

Под действием влаги пористые материалы набухают. При высыхании происходит обратный процесс — усадка. Оба эти процесса, которые протекают в объеме конструкции неравномерно, вызывают значительные структурные напряжения в материале. В результате при набухании изделие или конструкция могут покоробиться, а при усадке в материале — возникнуть трещины. Относительные деформации усадки строительного раствора достигают 0,5...1 мм/м, бетона — 0,3...0,7 мм/м. Для уменьшения усадочных деформаций природные материалы пропитывают специальными веществами, у композиционных искусственных материалов, например бетона, регулируют состав.

Морозостойкостью называют способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Марка по морозостойкости F обозначает наибольшее число циклов замораживания — оттаивания, которое выдерживают образцы мате-14

Риала без снижения прочности на сжатие более 15 % (для некоторых материалов 25 %); потеря массы при этом не должна превышать 5 %.

В наружных конструкциях, подверженных действию воды и переменных температур, морозостойкость является определяющим фактором долговечности. Проектную марку материалов по морозостойкости устанавливают с учетом вида и условий эксплуатации конструкции, а также климата. Например, для возведения наружных стен употребляют легкий бетон и керамический кирпич марок по морозостойкости F15, F25 и F35. Дорожный бетон, работающий в более тяжелых условиях, изготовляют марок F50 ... F200, а гидротехнический — до F500.

Метод оценки морозостойкости каменных материалов путем многократного замораживания и оттаивания образцов, предложенный профессором Петербургского института инженеров путей сообщения Н.А. Беле-любским, был принят в 1886 г. на Международной конференции по испытанию материалов. Этот метод применяют и сейчас во всех странах.

Для испытания на морозостойкость стандартные образцы материалов или целые мелкоштучные изделия (например, кирпич) вначале насыщают водой. После этого их замораживают при температуре от —15е до —20 С. Затем образцы извлекают из морозильной камеры и оттаивают в воде комнатной температуры. Такое замораживание и оттаивание составляет один цикл испытания. С увеличением числа циклов в структуре материала происходят необратимые изменения, которые приводят к падению прочности (рис. 3).

Строительные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются постоянному или переменному тепловому воздействию. Для характеристики свойств материала в этом случае используют понятия теплопроводности, теплоемкости, термического расширения, огнеупорности и огнестойкости.

Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту при перепаде температур на противоположных поверхностях конструкции

100 150 WON

Рис. 3. Изменение прочности материала R в зависимости от числа циклов замораживания -оттаивания N (марка по морозостойкости F150)

Рис. 4. Схема передачи теплоты через ограждающую поверхность (стрелка показывает направление теплового потока)

15

Величину X называют теплопроводностью и выражают в Вт / (м • К). Она зависит от состава и строения материала.

У наиболее легких теплоизоляционных материалов X = 0,025... 0,03 Вт/ (м • К), т.е. приближается к теплопроводности воздуха. Конструкционные материалы — тяжелый бетон, металлы — отличаются значительно большей теплопроводностью.

Теплоемкостью называют свойство материала поглощать теплоту при нагреве либо отдавать при остывании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, равной количеству теплоты (кДж), необходимой для нагрева 1 кг материала на один градус. Удельная теплоемкость неорганических строительных материалов находится в пределах от 0,4 до 1 кДж(кг • К), сухой древесины — 1,7...2 кДж/ (кг • К). У воды наибольшая теплоемкость — 4,2 кДж/ (кг - К), поэтому при увлажнении материалов их теплоемкость возрастает. Численные характеристики теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения с надо знать для расчета затрат топлива и энергии на обогрев материалов и конструкций при зимних работах.

Термическое расширение характеризует свойство материала изменять размеры- при нагреве. За немногими исключениями строительные материалы при этом расширяются. Для численной характеристики такого явления используют температурный коэффициент линейного расширения {ТКЛР), равный относительному удлинению материала при нагреве его на один градус.

Значение ТКЛР составляют: для бетона (10...12) -10_6К-1, стали 10 • 10~6, древесины вдоль волокон (3...5) • 10~6К_1. ТКЛР полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше.

Вследствие термического расширения деформации материала в конструкции достигают значительных величин, поэтому в сооружениях большой протяженности во избежание растрескивания предусматривают деформационные швы.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорными считают материалы, выдерживающие температуру более 1580 °С. Материалы, работающие в температурном интервале 1350... 1580 °С, называют тугоплавкими, а при температуре менее 1350 °С — легкоплавкими.

Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре. Основная характеристика строительных конструкций в 16

условиях пожара — степень огнестойкости, которая зависит от сгораемости материала и предела огнестойкости конструкции.

Сгораемость — это способность материала воспламеняться и гореть. Материалы бывают несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К ним относятся такие неорганические материалы, как, например, бетон и сталь.

Трудносгораемые материалы воспламеняются, тлеют или обугливаются лишь в присутствии источника зажигания. После удаления огня горение или тление прекращается. В эту группу входят, в частности, асфальтобетон, самозатухающий пенопласт, древесина, пропитанная специальными веществами — антипиренами.

Сгораемые материалы продолжают гореть или тлеть даже после удаления источника зажигания, т.е. способны к самостоятельному горению в атмосфере нормального состава. К ним относят органические материалы: древесину, строительные пластмассы, битуминозные кровельные и гидроизоляционные материалы и др.

Предел огнестойкости — это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают потерю несущей способности, т.е. обрушение конструкции; возникновение в ней сквозных трещин, через которые на противоположную поверхность могут проникать продукты горения и пламя; недопускаемый нагрев противоположной действию огня поверхности, который может вызвать самопроизвольное возгорание других частей сооружения.

Ошибочно полагают, что для изготовления огнестойкой конструкции достаточно лишь применить несгораемый материал. Это условие необходимо, но оно недостаточно. Некоторые несгораемые материалы (гранит, асбестоцемент) при пожаре растрескиваются, металлические конструкции сильно деформируются. Их приходится защищать более огнестойкими материалами.

14.12.2017
Реклама: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9