Основные свойства строительных материалов
В настоящее время номенклатура строительных материалов весьма многообразна. Для одинаковых конструкций или их элементов могут применяться различные материалы. Выбрать лучший и наиболее дешевый не всегда легко. К стеновым материалам, например, относятся: лесоматериалы, кирпич, природный камень, бетон и железобетон, саман и т.д. Однако для конкретных целей должен быть выбран материал, наиболее удовлетворяющий функциональному назначению стены (жилое помещение, производственный цех, склад, инженерное сооружение и т.п.), а также экономическим требованиям.
При выборе материала необходимо учитывать его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности факторы – механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и др. Эта способность материала реагировать на указанные факторы называется его свойствами.
Рациональное использование строительных материалов возможно лишь при условии знания его физических, механических, химических, технологических и художественно-декоративных свойств.
Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью, а также пористостью. Известно, что большинство строительных материалов имеет пористое строение, исключение составляют стекло, металлы и некоторые другие. Отношение массы тела или вещества в естественном состоянии вместе с пустотами и порами ко всему занимаемому ими объёму принято называть средней плотностью в отличие от истинной плотности, представляющей собой отношение массы к объему, когда объем сводится к точке, в которой и определяется плотность тела или вещества без учета имеющихся в них пустот и пор.
Для сыпучих материалов существует понятие «насыпная плотность» - это отношение массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами. Единицы этих величин: грамм на кубический сантиметр (г/см3), килограмм на литр (кг/л), тонна на кубический метр (т/м3), килограмм на кубический метр (кг/м3). В технике в основном, пользуются единицей килограмм на кубический метр (кг/м3). Показатели плотности строительных материалов служат косвенной оценкойих пористости, водопоглощения, морозостойкости, теплопроводности и прочности.
Обычно определяют весовое или объемное водопоглощения, представляющие собой отношения разности между весами водонасыщенного и сухого образцов к весу или объему сухого образца, соответственно.
Пористость материала оценивается относительной величиной, показывающей, какую часть объема материала занимают внутренние поры. Она колеблется в широких пределах – от 0 до 98%.
Пористость может быть открытой и закрытой. Открытые поры наиболее опасны – они сообщаются с окружающей средой и между собой, что позволяет им наполняться водой в условиях насыщения. А это приводит к увеличению водопоглощения и, как следствие, к снижению прочности и морозостойкости, увеличению теплопроводности и водопроницаемости. Правда, открытая пористость улучшает звукопоглощающие свойства материала.
Некоторые строительные материалы (кирпич, цемент, бетон, лесоматериалы и др.) обладают гигроскопичностью, т. е. способностью поглощать водяной пар из воздуха в результате адсорбции и капиллярной конденсации. Увеличение гигроскопической влажности материала приводит к ухудшению его основных свойств, о чем говорилось выше.
Изменение прочности материала в результате водонасыщения оценивается коэффициентом размягчения – отношением прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала. Данный коэффициент характеризует водостойкость материала и он изменяется от 1 (металлы и др.) до 0 (размокшая глина).
Водопроницаемость – это свойство материала пропускать через себя воду под давлением. Она оценивается коэффициентом фильтрации, равном количеству воды, м3, проходящей через пластину материала площадью в 1 м2, толщиной в 1 м за 1 час при разности гидростатического давления на границах пластины в 1 м водяного столба. С целью уменьшения водопроницаемости строители применяют более плотные материалы с закрытой, замкнутой пористостью или защищают конструкции гидроизоляционными материалами.
Способность материала пропускать через свои трещины и поры при наличии разности давления газ или пар называют газо- или паропроницаемостью. К некоторым материалам предъявляются требования полной газонепроницаемости, например, к материалам газохранилищ. А вот стеновые материалы, наоборот, должны обладать определенной проницаемостью. Стена должна «дышать», т.е. через нее должна осуществляться естественная вентиляция. Однако, для защиты теплоизоляции от увлажнения стены и перекрытия со стороны влажных помещений должны защищаться от проникновения пара.
Многие пористые органические и неорганические строительные материалы при увлажнении набухают, т.е. увеличиваются в размерах, а при высыхании – уменьшаются. Происходит так называемая усадка или усушка. Многократное увлажнение и высыхание зачастую приводит к разрушению в результате усталости пористых материалов.
Очень важной физической характеристикой ряда строительных материалов является их морозостойкость. Это способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать определенное количество чередующихся циклов замораживания и оттаивания.
Морозостойкость строительных материалов в значительной мере зависит от пористости, плотности и водостойкости. Кровельные, стеновые и другие материалы в конструкциях и отделках зданий и сооружений в условиях эксплуатации подвергаются водонасыщению и замораживанию. При переходе воды в лед происходит ее расширение примерно на 9%, что приводит к разрушению стенок пор материала. Многократное замораживание и оттаивание способно иногда в короткий срок вывести конструкцию из строя. Повысить морозостойкость можно за счет улучшения структуры материала, снижением пористости, исключением водонасыщения и др.
К теплотехническим свойствам строительных материалов относятся: теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность, огнестойкость, коэффициент линейного температурного расширения.
Теплопроводность – это свойство материала пропускать через свою толщу тепловой поток от одной поверхности к другой. Для таких материалов как теплоизоляционные, стеновые и некоторые другие теплопроводность является одним из основных показателей их качества. Теплопроводность пористых материалов зависит в первую очередь от показателя пористости и ее характера – открытая, закрытая, сквозная, сообщающаяся. На величину теплопроводности оказывают влияние влажность, температура и, конечно, природа самого материала, т.е. его вещественный состав. Теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности - Вт/(м 0С). Вот несколько примеров, коэффициент теплопроводности меди равен 403 Вт/(м 0С), а у стали уже только 58, у тяжелого бетона - !,5, легкого бетона – 0,5, у минеральной ваты – 0,08 и т.д. Самая низкая теплопроводность у воздуха – 0,023.
Теплоёмкость это способность материала поглощать тепло. Она оценивается удельной теплоёмкостью – количеством тепла необходимого для нагрева 1 кг материала на 1 0С.
Огнеупорность – свойство материала противостоять, не расплавляясь и не деформируясь, длительному воздействию высоких температур (от 1580 0С и выше). Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей. Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350 0С.
Огнестойкость – способность материала сохранять физико-механические свойства при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от способности материалов гореть. По этой характеристике строительные материалы делятся на: несгораемые (кирпич, бетон, металлы и др.), трудносгораемые (фибролит; некоторые стеклопластики; древесина, пропитанная огнезащитными составами и др.), сгораемые (древесина, битум, пластики и др.).
Коэффициент линейного температурного расширения характеризует способность материала деформироваться при изменении температуры. Различные коэффициенты линейного расширения компонентов конгломерата или композиционных материалов могут привести к их разрушению. Во избежание растрескивания сооружений большой протяженности их разрезают на температурные швы.
К механическим свойствам строительных материалов относятся их прочностные и деформативные характеристики, твердость и истираемость.
Прочность – способность материала сопротивляться внешним или внутренним нагрузкам без разрушения. Она оценивается пределом прочности при конкретном виде деформирования (сжатие, растяжение, изгиб, кручение и др.) и равна отношению разрушающей силы к первоначальной площади поперечного сечения (единица измерения Па или МПа). Прочность материала зависит от многочисленных факторов: плотности, пористости, структуры, влажности, формы и размеров образцов, скорости нагружения и др.
Деформативность материалов это свойство изменять свои размеры и форму под действием внешней нагрузки или внутренних напряжений.
Деформации могут быть упругими (обратимыми) и пластичными (необратимыми, остаточными). Упругость это свойство материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Пластичностью твердого тела называют его способность изменять форму и размеры под действием нагрузки и сохранять образовавшуюся форму и размеры после снятия нагрузки.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Она определяется структурой материала. При выборе материалов для полов, дорожных покрытий и в ряде других случаев необходимо знать их твердость. От твердости зависит истираемость материалов.
Помимо перечисленных, строительные материалы обладают еще целым рядом свойств: акустические свойства, электропроводность, вязкость, укрывистость, скорость высыхания или твердения, эластичность и гибкость, биологические и санитарно-гигиенические характеристики, хладостойкость, светопроницаемость и прозрачность, коррозионная стойкость, долговечность и надежность и др.