Гидрофизические свойства материалов.
Гигроскопичностью называют свойство капиллярно пористого материала поглощать водяной пар из воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные материалы и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.
Типичным представителем гигроскопичных материалов является древесина, так как её влажность зависит от состояния окружающей среды. Если образец древесины поместить в помещение с низкой температурой и высокой степенью насыщения, то он начинает впитывать влагу из окружающей среды. То есть будет происходить процесс сорбции. Если же сырой образец древесины поместить в помещение с комнатными условиями, то из него начнет испаряться влага – будет происходить десорбция. Оба процесса происходят до определенного значения влажности, соответствующей окружающему воздуху. В случае десорбции значение влажности называется равновесным.
Рис. 5 Кривая десорбции
С увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре будет увеличиваться сорбционная влажность данного материала.
Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность сосны Wa = 15 %, Wb =20 %; ячеистого бетона 8 и 12 %; пенополистирол 2 и 10 %; железобетон 2 и 3 %; сталь 0 и 0%.
Капиллярное всасывание(капилляры от латинского волосяной - система сообщающихся мелких пор; трубки с узким каналом) воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляцию, отделяя фундаментную часть конструкции стены от её наземной части.
Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, полностью погруженным в воду, и выражается в процентах от массы (водопоглащение по массе Wm):
Wm=(mв – mс)/mс ∙100 %;
Или от объема (водопоглащение по объему Wv):
Wv = (mв – mс)/ V ∙ 100 %
mв –масса материала после водонасыщения, г;
mс – масса материала в сухом состоянии, г;
V – объем материала, см3.
Определение водопоглащения производится по стандартной методике, Предварительно взвешенный сухой образец полностью опускается в воду для насыщения. После чего определяется масса образца после водонасыщения и по формуле вычисляется водопоглащения.
Во время водонасыщения вода проникает в материал, а точное в его открытые поры. Таким образом, водопоглащение характеризует открытую пористость материала.
Водопоглащение материала зависит от его структуры его пористости: чем выше открытая пористость, тем больше величина водопоглащения. Водопоглащение строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 для стекла до 100 и более % для пористых теплоизоляционных материалов. Необходимо помнить, что попадая в поры, вола резко изменяет свойства материала, повышая его плотность, теплопроводность, снижая прочность.
Водостойкость (коэффициент размягчения) – способность материала и изделий сохранять прочность в состоянии водонасыщения. Водостойкость характеризуется коэффициентом:
Кв=Rb/Rc,
где Rb и Rc – предел прочности материала при сжатии, соответственно в водонасыщенном и сухом состояниях, МПа.
Время водонасыщения для различных материалов устанавливают в пределах от 1часов до 3 суток и более. Иногда водонасыщение обеспечивается кипячением материала в воде.
К водостойким принято относить материалы с коэффициентом Кв не менее 0,8. Материал, распускающийся в воде (например, глина), характеризуются нулевым значением коэффициента Кв, а не поглощающие воду абсолютно плотные материалы (например, стекло) имеют коэффициент водостойкости 1.
Водостойкие материалы (цементный бетон, строительный раствор, гранит, мрамор и др.) можно применять в конструкциях, контактирующих с водой без специальных мер защиты от увлажнения.
Влажностная деформация. Пористые материалы органические и неорганические (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.
Усадкой называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частиц материала (испарением), и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.
Набухание происходит при насыщении материала водой. Молекулы воды, проникая между частицами и волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц.
Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающиеся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, ускоряющие разрушение.
Наибольшей усадкой характеризуются пористые материалы, например дерево 30-100 мм/м. Минимальная у прочных и плотных материалов, например, гранит 0.02 – 0.06 мм/м.
Водопроницаемость – это свойство материала пропускать воду под давлением. Данную величину характеризует коэффициент фильтрации Кф:
Кф = Vb a / [S (p2 – p1) t],
Коэффициент фильтрации равен объему воды Vb, проходящему через стенку площадью S = 1м2, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки p2 – p1 = 1 мм вод. Ст.
Водонепроницаемость материала это способность противостоять фильтрующему проникновению воды под давлением. Абсолютной водонепроницаемостью обладают только абсолютно плотные материалы (стекло, битум, сталь). Большинство же строительных материалов (бетон, кирпич и др.) являются пористыми и их водонепроницаемость зависит от пористости (размера, протяженности). Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами.
Низкая водопроницаемость важна для гидроизоляционных материалов. При строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов и зданий.
Водонепроницаемость характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Есть связь между маркой и коэффициентом Кф.
Газо- паропроницаемость– это способность материала пропускать через свою толщу соответственно газ или водяной пар. При возникновении у поверхности ограждения разности давления газа (воздуха) происходит его перемещение через поры и трещины материала.
За счет чего происходит перемещение водяного пара? С повышением температуры парциальное давление водяных паров возрастает. Таким образом, водяные пары стремятся попасть в область меньшего давления, т. е. на сторону слоя материала с меньшей температурой. Этим объясняется увлажнение изоляции, применяемой для поверхности с отрицательными температурами. Влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля замерзает. Это вызывает ухудшение свойств изоляции и ее разрушение.
Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который определяется количеством водяных паров в граммах, проходящим в течение 1 ч через слой материала площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности давлений водяного пара на противоположных поверхностях 133,3 Па. Размерность этого коэффициента – кг/(м*ч*Па). Иногда используется термин сопротивление паропроницанию.
Паропроницаемость несет в себе как положительные моменты, так и отрицательные. Благодаря паропроницаемости материал способен «дышать». То есть из помещения с повышенной влажностью перемешать водяной пар наружу и наоборот. То есть высокой паропроницаемостью должен обладать материал ограждающей конструкции.
В тоже время в помещениях с повышенной влажностью (более 75 %, таких как бани, свинарники, текстильные фабрики и т.п.) влагообмен достаточно высокий. И в зимний период, когда влага будет стремиться наружу, в зону отрицательных температур, произойдет её замораживание, которое может привести к разрушению поверхностного слоя. В этих случаях необходимо учитывать коэффициент паропроницаемости используемых материалов, при необходимости следует произвести гидроизоляцию внутренней поверхности.
Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание.
В строительном материаловедении понятие «морозостойкость» связывают с воздействием на материал двух основных факторов: низкие температуры и вода (в случае пористых материалов).
Разрушительное воздействие мороза на ограждающую конструкцию можно условно разделить на три основных периода: водонасыщение, промерзание и, собственно, разрушение. Рассмотрим причины разрушения пористого материала (бетона). Осенью, в наиболее влажный период года, происходит водонасыщение поверхностного слоя ограждающей конструкции. При понижении температуры окружающей среды наружные слои конструкции постепенно охлаждаются, фронт низких температур распространяется внутрь конструкции. Водяной пар, находящийся в противоположной зоне конструкции, перемещается от тепла к холоду, поскольку давление влажного воздуха при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Попадая в зону низких температур, водяной пар конденсируется в порах, вблизи наружной поверхности ограждающей конструкции. При температуре ниже 0, вода, находящаяся в порах, замерзает, увеличиваясь в объеме на 9 %. Образовавшийся лед начинает давить на стенки пор и может их разрушить, вследствие чего прочность материала снизится.
Существует и другое объяснение. Давление расширения воды при замерзании заставляет мигрировать еще не замерзшую воду, создавая большое гидростатическое давление, которое усиливает напряжения на стенки сообщающихся пор.
Плотные материалы без пор или с низким количеством открытых пор, поглощают мало воды и поэтому морозостойки. Пористые материалы будут обладать удовлетворительной морозостойкостью только в том случае, когда вода займет не более 90 % доступных пор.
Испытание на морозостойкость заключается в том, что образцы насыщают водой, после чего подвергают замораживанию в морозильных камерах при температуре – 18±2 0С. Далее, образцы извлекают из камеры и подвергают оттаиванию, опуская в воду с Т= 18±2 0С. По истечению определенного количества циклов, оценивают изменение прочности, массы. В случае если это изменение превышает 25% и 5% соответственно, испытание прекращают, присваивая марку, соответствующую количеству циклов замораживания - оттаивания, при котором изменение показателей не выходило за рамки норматива.
Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости: F15; F25; F50.. F500. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает образец без снижения прочности на сжатие более 15 – 25 %; после испытаний образцы не должны иметь видимых повреждений, выкрашиваний, потеря массы не должна превышать 5 %.
Морозостойкость материалов: керамический кирпич F15-F50; ячеистый бетон F35-F100; тяжелый бетон для строительства дорог и мостов F50-F200; гидротехнический бетон F500.
Методы повышения морозостойкости:
- уменьшение водопоглощения за счет создания микропористой структуры с преимущественно замкнутыми порами;
- путем воздухововлечения, когда в материале образуются воздушные резервуары, гасящие избыточное давление мигрирующей и замерзающей воды
Теплотехнические свойства. Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Эта величина обратно пропорциональна теплоизолирующей способности.
Теплопроводность является физическим свойством материалов, связанным с переносом в них тепловой энергии за счет взаимодействия их мельчайших частиц (атомов, ионов, электронов, молекул). Перенос тепловой энергии осуществляется непосредственно от частиц, обладающих большей энергией, к частицам с меньшей энергией за счет их непосредственного столкновения и колебания, что приводит к выравниванию температуры тела. вектор плотности теплового потока пропорционален и противоположен по направлению градиенту температуры Т(grad Т):
Q = - λ grad Т;
где λ — коэффициент теплопроводности (теплопроводность), который не зависит от grad Т, а зависит от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строения, состава, температуры, давления и других физических показателей.
Как отмечалось ранее, строительный материал является гетерогенным, имеющий твердую фазу и воздушные прослойки (поры). Тепловой поток, проходящий через материал, проходит как через твердый каркас, так и через воздушные ячейки (поры). Так как теплопроводность воздуха примерно в 20 раз выше теплопроводности твердого каркаса (например, для кирпича), то с увеличением пористости теплопроводность твердых тел снижается.
Тепло в материале передается за счет конвекции и излучения.
Кроме количества пор, на величину теплопроводности оказывает влияние их размер. Наличие крупных пор приводит к повышению общей теплопроводности системы, особенно при высокой температуре, в то время как мелкие поры являются хорошим препятствием для переноса теплоты. Связано это с тем, что в крупных порах интенсивнее происходит перемещение воздуха, а значит и теплообмен.
Помимо пористости на величину теплопроводности существенное влияние оказывает влага. Попадая в поры материала, влага увеличивает его теплопроводность, так как теплопроводность воды в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха (0.023 → 0.58 Вт/(м∙0 С)). При замерзании воды в порах с образованием льда, теплопроводность ещё увеличивается, так как теплопроводность льда в 4 раза выше (2.3 Вт/(м∙0 С)), чем воды.
Незначительно на величину теплопроводности влияет температура: теплопроводность металлов с увеличением температуры уменьшается, а остальных материалов увеличивается.
Величину теплопроводности можно оценить расчетно:
,
где λ – теплопроводность, Вт/м∙0 С;
р0 – средняя плотность материала, выраженная в относительных единицах по отношению к плотности воды.
Обычно теплопроводность материала определяется экспериментальным путем. Сущность метода заключается в создание стационарного или нестационарного теплового потока и одной поверхности образца и регистрации температуры на противоположной поверхности.
Производители СМ для сравнения используют значения коэффициента теплопроводности при 0 влажности. В реальных условиях значения влажности может отличаться (зона А и Б). Поэтому λ0 величина эфемерная, на практике используют λа и λb.
Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Огнестойкость зависит от сгораемости материала, то есть от его способности воспламеняться и гореть. Все материалы подразделяются на три группы по сгораемости.
- Несгораемые материалы – те материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры не тлеют и не обугливаются. К ним относятся природные и искусственные неорганические материалы: гранит, бетон, кирпич и др.
- Трудносгораемые материалы под воздействием огня и высокой температуры обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная древесина, фибролит, некоторые пенопласты).
- Сгораемые материалы горят и тлеют под воздействием огня или высокой температуры и продолжают гореть после устранения огня (древесина и другие органические материалы).
Мерой огнестойкости служит предел огнестойкости, характеризующийся временем, которое выдержал материал при тепловом воздействии на него без разрушения и разогрева выше определенной температуры.
Предел огнестойкости - время в минутах (часах), в течение которого строительная конструкция сохраняет свою огнестойкость и наступает один из перечисленных ниже признаков:
• потеря несущей способности (R) вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных деформаций;
• потеря целостности (Е) в результате образования в конструкциях сквозных трещин, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя;
• потеря теплоизолирующей способности (I) вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных значений в среднем на 140 оС или в любой точке на 180 оС. в сравнении с температурой конструкции до испытания, или более 220 оС, независимо от температуры конструкции до испытания.
Обозначение предела огнестойкости строительных конструкций состоит из условных обозначений, нормируемых для данной конструкции предельных состояний, цифры, соответствующей времени достижения одного из предельных состояний (первого по времени) в минутах.
R 120 - предел огнестойкости 120 мин - по потере несущей способности;
RE 60 - предел огнестойкости 60 минут - по потере несущей способности и потере целостности, независимо от того, какое из двух предельных состояний наступит ранее;
REI 30 - предел огнестойкости 30 минут - по потере несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности независимо от того, какое из них наступит ранее.
Если для конструкции нормируются различные пределы огнестойкости по различным предельным состояниям, обозначение предела огнестойкости состоит из двух или трех частей, разделенных между собой наклонной чертой.
Например: R 120/EI 60 - предел огнестойкости 120 минут по потере несущей способности/предел огнестойкости 60 минут - по потере целостности или теплоизолирующей способности, независимоот того, какое из двух последних наступит ранее.
Пределы огнестойкости для деревянного ограждения 10 см 0,6ч; стальные балки 1 см -0,25 ч, керамический кирпич 12 см 2,5; ячеистый бетон 10 см 4 ч.