§ 5. Структурные характеристики и физические свойства материалов

Основные структурные характеристики материала, используемые в строительстве и во многом определяющие его технические свойства, - это плотность и пористость материала и плотность вещества, из которого состоит материал. Поры - воздушные ячейки в самом веществе, из которого состоит материал; пустоты - воздушные полости между отдельными частицами материала. Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Средняя плотность материала q_m (далее мы будем называть ее просто плотностью), физическая величина, определяемая отношением массы т материала ко всему занимаемому им объему V (м³), включая имеющиеся в них пустоты и поры:

Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) путем изменения их структуры можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить тяжелый бетон плотностью более 2200 кг/м³ или особо легкий - плотностью менее 500 кг/м³.

Несмотря на кажущуюся простоту этой характеристики материала, плотность несет большой объем информации о других свойствах, о чем неоднократно будет говориться ниже.

Истинная плотность материала q характеризуется массой единицы объема материала, причем имеется в виду объем только твердого вещества, из которого состоит материал V_TB, без учета объема пор и пустот

Иными словами, истинная плотность - это плотность вещества, из которого состоит материал.

У непористых материалов (стекло, сталь, битум) средняя плотность равна истинной. Истинная плотность каждого вещества - постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно. Так, у каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500...3000 кг/м³. Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800... 1200 кг/м³. Относительно высокая плотность у древесины - около 1500 кг/м³. Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м³); алюминий - 2700, сталь - 7850, свинец - 1130. Плотность воды 1000 кг/м³.

Пористость - степень заполнения объема материала порами

Обычно пористость рассчитывают исходя из средней и истинной плотности материала

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90...98% (табл. 2).

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, полистирольныи пенопласт, пористость которого достигает 95%, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30%), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

Водопоглощение - способность материалов впитывать и удерживать в своих порах влагу - зависит от пористости материала и характеризуется максимальным количеством воды, которое может поглотить абсолютно сухой материал. Водопоглощение может быть определено по отношению к массе сухого материала - водопоглощение по массе В_m или по отношению к естественному объему материала - объемное водопоглощение B_V:

где m₁ - масса материала в сухом состоянии, г; m₂ - масса насыщенного водой материала, г.

Из приведенных формул, очевидно,

Влажность - величина, показывающая, сколько воды в данный момент находится в материале по отношению к его сухой массе (реже по отношению к объему материала). Влажность материала выражается в процентах и может изменяться от 0% (абсолютно сухой материал) до значения полного водопоглощения. Влажность материала зависит как от свойств самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей его среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой).

Гигроскопичность - способность материалов поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. К гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие даже без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, покрывая поверхность материала гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.

При увлажнении материала изменяются его свойства - увеличиваются плотность, теплопроводность и обычно снижается прочность. Поэтому при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги (водопоглощение и гигроскопичность). Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Влагоотдача - способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20 °С и относительной влажности 60%. Влагоотдачу учитывают, например, при сушке стен зданий и уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором, наоборот, замедленная.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное. попеременное замораживание и оттаивание без признало ков разрушения.

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10%. В результате стенки некоторых пор разрушаются и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания с увлажнением постепенно разрушают материал.

Морозостойкость зависит от пористости и водопоглощения материала. Плотные материалы (пористость 0%), а также материалы с замкнутыми порами, т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью обладают, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки.

Морозостойкость характеризуется числом циклов замораживания (при температуре не выше -17°С) и оттаивания (в воде), которое материал выдерживает без потери более 5% своей массы или 15% первоначальной прочности. По морозостойкости материалы подразделяют на марки: Мрз 10; 15; 25; 35; 50; 100 и т. д. Так, марка по морозостойкости кирпича Мрз15 означает, что кирпич выдерживает не менее 15 циклов "замораживания - оттаивания" без указанных повреждений.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура у этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен пропустить материал через 1 м² поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с.

Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но она всегда во много раз выше теплопроводности воздуха. Так, теплопроводность кварца 5,5 Вт/(м · К), а воздуха - 0,024 Вт/(м · К), т. е. теплопроводность воздуха почти в 250 раз ниже теплопроводности кварца. Следовательно, наличие в материале воздушных пор резко снижает его теплопроводность. А так как чем больше в материале пор, тем ниже его плотность, то между плотностью и теплопроводностью материала существует прямая зависимость.

Если материал увлажнен, т. е. воздух в порах замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает, так как теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.

Теплоемкость - способность материала поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Удельная теплоемкость большинства природных и искусственных каменных материалов находится в пределах (0,7...1) · 10³ Дж/(кг · К). Поэтому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит не от вида материала, а от массы конструкции.

Тепловое расширение - свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении - характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используется температурный коэффициент линейного расширения, показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 К.

Коэффициенты линейного расширения у разных материалов могут значительно отличаться. Например, коэффициент линейного расширения пластмасс в 5...10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать линейное расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и как результат - коробление и растрескивание материала.

Эффект теплового расширения материалов можно наблюдать, например, в изменении размеров шва между железобетонными панелями. Так, при изменении температуры от -20 до +30°С размер железобетонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, на столько же при этом уменьшается ширина шва между панелями.

Огнестойкость - способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара. Разрушение материала в таких условиях может произойти из-за того, что он сгорит, растрескается, полностью потеряет прочность. Для повышения огнестойкости материалов используют антипирены - вещества, которыми пропитывают или покрывают материал. Антипирены выделяют газы, не поддерживающие горения, или под действием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, чем замедляют его нагрев. По степени огнестойкости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и т. п. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспламеняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

Огнеупорность - способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения. По степени огнеупорности различают: легкоплавкие (огнеупорность ниже 1350°С), тугоплавкие (огнеупорность от 1350 до 1580°С) и огнеупорные (огнеупорность выше 1580°С) материалы.

Акустические свойства материалов - это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны, - это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук - звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук - звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса: если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

Оглянись вокруг - потрясающее множество спутниц ждут на встречу на https://gol.indi-hub.com.