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/см³, кг/м³ или кг/дм³. 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/см³, кг/м³.

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.

Величина пористости и размер пор в значительной мере влияют на прочность материала. При одном и том же веществе строительный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, усилиям другого происхождения (тепловым, усадочным и др.), чем больше пор в его объеме. Для некоторых разновидностей материалов существуют ярко выраженные зависимости. Так, например, чем меньше средняя плотность (больше пористость), тем меньше прочность материала. В самом общем виде зависимость прочности от пористости выражена формулой: R„ = Ло(1—АП), где R„ н Ro — прочности соответственно пористого и беспористого материала; А — коэффициент структуры, отражающий ее пористость; П — общая пористость материала (вещества) в долях единицы. Наименьшее значение коэффициента А = 1,0—1,1 соответствует оптимальным структурам с ОГЛАВЛЕНИЕм пор П до 0,02—0,03. Формула показывает возможность приближения значений R_n и Ro путем изменения структуры материала (вещества).

Известны многочисленные эмпирические формулы, полученные из опытных данных применительно к различным материалам, в той или иной мере воспроизводящие указанную выше зависимость R_n = 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 м² 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 4,2-10³ Дж/(кгК). Строительные материалы в сухом состоянии имеют более низкие значения этого коэффициента, например, каменные материалы (естественные или искусственные) — от 0,75-10³ до 0,94 10³, лесные материалы — от 2,42-10³ до 2,75 1 0³ Дж/(кгК), сталь — 0,50-10³ 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 м³ 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 м³ 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 см² 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 м² 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 (К_рз._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.