Физические свойства строительных материалов
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.).
Гидрофизические свойства. Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения подвергаются действию воды или водяных паров, находящихся в воздухе. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства. Поэтому при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги (во-допоглощение и гигроскопичность). Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.
Гидрофильность и гидрофобность — свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.
Гидрофильные (от греч. phileo — люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается (рис. 2.2, а), а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.
Гидрофобные (от греч. phobos — страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются (рис. 2.2, б), а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.
Для снижения смачиваемости материала и поглощения им воды можно изменять характер его поверхности. Убедительный пример этого — оперение водоплавающих птиц. Смазанное жиром, оно абсолютно не намокает в воде.
Особенно эффективны в роли гидрофобизаторов кремний-органические вещества. Так, кирпич или бетон, обработанные гидрофобизирующей кремнийорганической жидкостью (ГКЖ), перестают поглощать воду, и более того, вода скатывается с поверхности таких гидрофобизированных материалов «как с гуся вода».
Гигроскопичность — способность материала изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. При увеличении влажности воздуха гигроскопичный материал поглощает и конденсирует водяной пар на своей поверхности, в том числе и на поверхности пор. Этот процесс называют сорбцией.
К сильно гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигроскопичности. Снизить гигроскопичность можно, защищая поверхность материала гидрофобными или паронепроницаемыми веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.
Рис. 2.2. Поведение капли воды на гидрофильной (а) и гидрофобной (б) поверхностях
Капиллярное всасывание (от лат. capillaris — волосяной) — способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Гидрофильные материалы, имеющие мелкие поры и капиллярные каналы, например кирпич, при соприкосновении с водой способны поглощать ее и поднимать по капиллярам на значительную высоту. Для защиты конструкций от увлажнения в результате капиллярного всасывания необходимо тщательно изолировать материал от источника увлажнения с помощью гидроизоляционных материалов.
Водопоглощение — интегральный показатель способности материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах.
Паропроницаемость — способность материала пропускать водяные пары при наличии разницы абсолютной влажности воздуха (парциального давления пара в воздухе) по обе стороны материала. Пар стремится пройти через материал в ту сторону, где его парциальное давление ниже (обычно из теплого помещения в холодное). В одних случаях нужна высокая паропроницаемость (например, материал стены должен «дышать»); в других желательно отсутствие паропрони-цаемости (теплоизоляция не должна отсыревать). Необходимая степень паропроницаемости конструкции достигается правильным выбором материалов и их взаимным расположением в конструкции. Паропроницаемость оценивается коэффициентом паропроницаемости Кп.
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 признаков 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 материала зависит от его пористости и во-допоглощения.
Плотные материалы (без пор), а также материалы с замкнутыми порами, т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью характеризуются, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки.
Морозостойкость материала характеризуется числом циклов замораживания (при температуре не выше — 18 °С) и оттаивания (в воде), которое он выдерживает без снижения прочности, потери массы или появления внешних повреждений, указанных в ГОСТе на соответствующий материал. Так, для бетона допускается потеря прочности не более 5 %, а для растворов не более 25 % от первоначальных значений этих величин.
По морозостойкости материалы подразделяют на марки: F15; F25; F35; F50; F100 и т. д. Например, марка по морозостойкости кирпича F15 означает, что образцы, отобранные от партии кирпича, выдерживают не менее 15 циклов «замораживания — оттаивания» без появления внешних повреждений (отколов, шелушения поверхности и т. п.).
Морозостойкость материала, находящегося в контакте с внешней средой, для условий климата России является важнейшим показателем его долговечности.
Теплофизические свойства.
Теплопроводность — способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м 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 во всех случаях она во много Раз превышает теплопроводность воздуха — 0,024 Вт/(м * К). Поэтому, чем больше в материале пор (т. е. чем больше в нем воздуха), тем ниже будет его теплопроводность:
Так как средняя плотность материала, так же как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить косвенной характеристикой теплопроводности материала и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности.
Если материал влажный, т. е. воздух в порах частично замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает. Причина этого в том, что теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.
При замерзании воды в порах материала его теплопроводность повышается еще в большей степени, так как теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды.
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) * 10 Дж/(кг * К). Теплоемкость древесины — 1,8…2,2Дж/(кг * К). Количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит не столько от вида материала, сколько от массы конструкции.
Температуропроводность — свойство материала, характеризующее скорость распространения температуры под действием теплового потока в нестационарных температурных условиях, например при пожаре. В этом случае важно, чтобы распространение высокой температуры через ограждающую конструкцию шло с минимальной скоростью.
Тепловое расширение — свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении — характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используют коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР), показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 К.
Коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР) у разных материалов значительно отличаются.
Например, КЛТР пластмасс в 5…10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать тепловое расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными КЛТР в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и, как результат, — коробление и растрескивание материала.
Эффект теплового расширения материалов проявляется, 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, при этом на столько же 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, потеряет прочность. По степени огнестойкости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы.
Несгораемые материале под действием огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и др. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а остальные 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.
Для повышения огнестойкости горючих 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.
Огнеупорность — способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения.
Примером огнеупорных материалов может служить огнеупорный кирпич, используемый для кладки внутренних объемов доменных и сталеплавильных печей, топок ТЭС и т. п. Деление материалов по степени огнеупорности дано в п. 5.2.
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 заставить материал колебаться. 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.
.
