5.2.1. Свойства материала, характеризующие его как физическое тело
Истинная плотность (ρ)– масса единицы объема материа- ла в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор, трещин или пустот, присущих материалу в его естественном состоянии.
Рассчитывается как отношение массы материала к его объ- ему в абсолютно плотном состоянии:
m
ρ = . (5.1)
Va
Размерность – г/см3 или кг/м3.
Истинная плотность позволяет судить о том, каким – лег- ким или тяжелым – является вещество материала, потому что значение истинной плотности показывает, какую массу имеет 1 см3или 1 м3вещества материала. Можно сказать, что истин- ная плотность является физической константой данного мате- риала.
На истинную плотность материала влияют:
· химический состав материала, например:
– для органических материалов (С, Н) 1–1,6 г/см3
– для неорганических материалов:
оксиды Si, Ca, Al 2,2–3,3 г/см3
портландцементный клинкер 3,2 г/см3
керамический черепок 2,5–2,6 г/см3
– для стали (Fe) 7,8–7,9 г/см3
· внутреннее строение вещества, плотность упаковки частиц (атомов, молекул), например:
Н2О
– вода – 1 г/см3,
лед – 0,92 г/см3;
С
– графит – 2,2 г/см3,
алмаз – 3,5 г/см3.
Основной задачей в определении истинной плотности явля- ется измерение объема материала в абсолютно плотном состоя-
нии. Для этого материал измельчают и погружают в объемомер, заполненный инертной для данного материала жидкостью (при- бор Ле Шателье, мерные цилиндры, пикнометры). Объем опре- деляется по методу вытеснения жидкости.
Средняя плотность (ρт) – характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами и пустотами). Рассчитывается путем деления массы образца на его объем:
ρm =
m
. (5.2)
Ve
Размерность – в г/см3 или кг/м3.
Средняя плотность позволяет судить о том, каким – легким или тяжелым – является материал или изделие, потому что зна- чение средней плотности показывает, сколько весит 1 см3или 1 м3материала.
Средняя плотность строительных материалов изменяется от 10–20 до 2500 кг/м3 и более.
На среднюю плотность влияют:
– пористость материала (при увеличении пористости средняя плотность уменьшается);
– влажность материала (чем выше влажность, тем выше средняя плотность).
Среднюю плотность определяют у материалов в сухом со- стоянии.
Объем материала измеряют по-разному в зависимости от формы образца или изделия (правильная геометрическая форма или неправильная).
По величине ρт можно косвенно судить о многих свойствах материала (теплопроводности, прочности).
Средняя плотность – одно из самых важных свойств тепло- изоляционных материалов, поэтому значение средней плотно- сти является маркой теплоизоляционных материалов.
Например, марка теплоизоляционного газобетона Д 400 оз- начает, что средняя плотность не превышает 400 кг/м3.
Пористость (П)– степень заполнения объема материала порами; ее вычисляют по формуле:
V
П = пор×100 %.
Vе
(5.3)
Пористость можно определить с помощью специальных приборов – поромеров или вычислить по формуле:
П = r - rт ×100 %. или (5.4)
r
П = æ1 - rт ö ×100 % . (5.5)
ç r ÷
è ø
Пористость изменяется в широком диапазоне у строитель- ных материалов:
П = 0 % – стекло, битум, сталь, полимеры; П = 0,2–0,8 % – гранит;
П = 75–85 % – газобетон (ячеистый бетон); П = 90–98 % – ячеистые пластмассы.
Поры различаются по размеру, форме и характеру.
Поры могут быть размером от 10–3 до 10–9м:
– микрокапилляры, r£ 0,1 мкм (1 мкм = 10–6 м = 10–3 мм) (мелкие);
– макрокапилляры, rот 0,1 до 10 мкм (средние);
– некапиллярные поры (крупные).
По форме и характеру бывают:
– изолированные, закрытые поры (рис. 5.1);
– сообщающиеся поры (рис. 5.2);
– открытые поры (рис. 5.3).
Рис. 5.1 Рис. 5.2 Рис. 5.3
дой.
Поры в материале могут быть заполнены воздухом или во-
При увеличении пористости:
уменьшаются средняя плотность материала,
теплопроводность материала, увеличиваются водопоглощение (при открытых порах),
водопроницаемость (при открытых по- рах).
Для большинства материалов наиболее благоприятная
структура – микропористая с равномерно распределенными замкнутыми порами.
Кроме понятия «пористость» существует еще понятие «пус- тотность» для строительных изделий со специально созданными в процессе изготовления правильными по форме пустотами.
Пустотность – степень заполнения объема изделия пусто- тами, %.
П = (Vп/Ve)100 %.
Пустоты могут быть сквозными и несквозными. Примеры: пустотелый керамический кирпич и камень. Пустотность снижает массу изделия и его среднюю плот-
ность и влияет на другие свойства.
Для зернистых сыпучих материалов, не имеющих постоян- ной формы, характеристиками являются плотность зерна, на- сыпная плотность и межзерновая пустотность.
Плотность зерна (ρз) – масса единицы объема зерна в есте- ственном состоянии, т.е. это средняя плотность применительно к зерну.
Насыпная плотность (ρн) – характеризует массу единицы объема зернистого материала (песка, щебня, гравия) в рыхлона- сыпанном состоянии. В ее величине отражается влияние не только межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме мате- риала, но и пор в каждом зерне.
ρн =
m
. (5.6)
Vн
Размерность – г/см3 или кг/м3.
Примеры: насыпная плотность песка – 1600 кг/м3, насыпная плотность цемента – 1100–1300 кг/м3,
насыпная плотность легких заполнителей – 250–1100 кг/м3.
Межзерновая пустотность – степень заполнения объема рыхлонасыпанного материала межзерновыми пустотами, %.
П = [(ρз – ρн)/ ρз]100, %.
Межзерновая пустотность зависит от наличия в материале зерен разного размера и соотношения между ними. Если все зерна одного размера, то пустотность максимальна. Поэтому для песка и щебня ГОСТами предъявляются требования к грануло- метрическому составу.
Для тонкодисперсных материалов, получаемых помолом, важной характеристикой является степень измельчения – тон- кость помола, определяемая путем просеивания пробы через стандартное сито.
Тонкость помола – величина остатка на сите в %.
Например, для цемента остаток на сите № 008 не должен превышать 15 %. Стандартным ситом для гипса является сито
№ 02.
Номер сита показывает размер отверстий в свету в мм. Например, № 008 – это 0,08 мм, на 1 см2 такого сита нахо-
дится 6400 отверстий, а у сита № 02 (0,2) – 900 отверстий
на 1 см2.
5.2.2. Гидрофизические свойства строительных материалов (свойства материалов по отношению
к действию воды)
Одним из важнейших физических факторов, воздействую- щих на строительные материалы, является вода – жидкая и га- зообразная. Очень часто в процессе эксплуатации строительные конструкции увлажняются, и различные свойства материалов изменяются.
В зависимости от отношения материалов к действию воды они подразделяются на:
· гидрофильные – смачиваемые водой (рис. 5.4а) (бетон, керамика),
· гидрофобные – несмачиваемые водой (рис. 5.4б) (битум, большинство полимеров).
а)
б)
Рис. 5.4
Вода – полярная жидкость, способность воды смачивать поверхность материалов зависит от степени полярности поверх- ности. Степень смачиваемости оценивается краевым углом сма- чивания q. Для гидрофильных материалов угол q острый. Чем меньше угол q, тем лучше поверхность смачивается водой. Если
q > 90о (угол тупой), то вода почти или совсем не смачивает по- верхность материала.
Гигроскопичностью называют способность пористых гид- рофильных материалов поглощать водяной пар из влажного воздуха.
Вода адсорбируется на поверхности пор и капилляров и конденсируется в микрокапиллярах тела. Этот физико-хими- ческий процесс называется сорбцией и является обратимым (сорбция « десорбция).
Количество адсорбированной влаги – сорбционная или гиг-
роскопическая влажность – определяется по формуле:
т - т
W = вл сух ×100 % . (5.7)
тсух
Сорбционная влажность зависит от температуры воздуха, его относительной влажности. Сорбционная влажность повы- шается при:
– повышении относительной влажности воздуха;
– понижении температуры воздуха;
– увеличении парциального давления водяного пара.
Рис. 5.5. Изотерма адсорбции (относительная влажность воздуха при постоянной температуре)
Гигроскопичность зависит от вида, количества и размера пор в материале.
Если у материалов одинаковая пористость, то те мате- риалы, которые имеют более мелкие поры и капилляры, оказы- ваются более гигроскопичными, чем крупнопористые материа- лы. Например, древесина, у которой длинные и открытые поры, очень гигроскопична, а бетон и отвердевшие цементные раство- ры, у которых поры замкнуты, малогигроскопичны.
Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденса- ции водяного пара из атмосферы влажность пористых строи- тельных материалов даже после их длительной выдержки на воздухе достаточно велика. Такое состояние называется воз- душно-сухим, а установившееся значение гигроскопической влажности – равновесной влажностью.
Равновесная влажность:
– песка 4–9 %
– керамических стеновых материалов 5–7 %,
– воздушно-сухой древесины 12–18 %,
– ячеистых бетонов 20 % и более.
Гигроскопичность обычно отрицательно сказывается на ря- де свойств строительных материалов и приводит к:
– старению цементов (для длительного хранения выпуска- ют специальный гидрофобный цемент);
– набуханию древесины;
– увеличению коэффициента теплопроводности теплоизо- ляционных материалов (поэтому стремятся предотвратить ув- лажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой).
Капиллярное всасывание воды пористым материалом про- исходит, когда материал соприкасается с водой.
Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяю- щий фундаментную часть конструкции стены от ее наземной части.
Капиллярное всасывание характеризуется высотой подъема воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсив- ностью всасывания.
Высота подъема воды в капилляре:
h = 2 scosq /(rrg),
где s – поверхностное натяжение на границе жидкость–воздух;
q – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра;
r – плотность жидкости;
g – ускорение свободного падения.
Теоретически максимальное значение высоты подъема во- ды в капилляре гидрофильного материала может составлять 15 м при радиусе пор 1 мкм (0,001 мм).
Водопоглощение –способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней за счет капиллярного всасывания, диффузии, заполнения крупных пор и т.д.
Водопоглощение оценивается по степени заполнения пор материала водой. Водопоглощение строительных материалов изменяется главным образом в зависимости от объема пор, их вида и размеров: чем больше пористость, тем больше водопо- глощение. Влияет на величину водопоглощения и природа ве- щества, и степень его гидрофильности.
Водопоглощение различных материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартным методикам, выдерживая образ- цы в воде в течение заданного срока при температуре (20 ± 2) °С.
Водопоглощение, определяемое погружением образцов ма-
териала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при из- влечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости.
Например, пористость легкого бетона может быть 50–60 %, его водопоглощение составляет 20–30 % объема.
Величина водопоглощения оценивается по массе и объему.
Водопоглощение по объему WV(%) – степень заполнения объема материала водой:
WV = [(mнас– mсух) / Vе]·100 %, (5.8) где mнас– масса образца материала, насыщенного водой, г;
mсух– масса образца материала в сухом состоянии, г; Vе – объем в естественном состоянии, см3.
WV не может превышать 100 %.
WV характеризует открытую пористость материала, т.е. ко- личество пор, доступных для воды. Поэтому WV £ П.
Водопоглощение по массе Wm(%) определяют по отноше- нию к массе сухого материала:
Wm = [(mнас– mсух) / mсух] ·100 %. (5.9) Wm высокопористых материалов может быть больше
100 %.
Зная водопоглощение по массе и объему, можно рассчитать
rm:
m
Wv =r , г/см3. (5.10)
Wm
Водопоглощение различных материалов колеблется в ши- роких пределах:
– гранита 0,02–0,7 %,
– тяжелого плотного бетона 2–4 %,
– кирпича 8–15 %,
– пористых теплоизоляционных
материалов 100 % и больше.
Водопоглощение косвенно характеризует структуру мате- риала. Для строительной керамики величина водопоглощения по массе является характеристикой, по которой керамические материалы подразделяются на изделия с плотным черепком (Wm £ 5 % – плитка для пола) и пористым черепком (Wm> 5 % – кирпич, плитка для облицовки внутренних стен, черепица).
Насыщение водой отрицательно влияет на основные свой- ства материала: повышается средняя плотность
rmнас = rmсух(1 + Wm),
материал набухает, увеличивается теплопроводность, снижают-
ся прочность и морозостойкость.
Влагоотдача – это способность материала отдавать нахо- дящуюся в его порах воду окружающей среде при благоприят- ных условиях (понижении влажности воздуха, увеличении тем- пературы).
Влагоотдача характеризуется количеством воды (в процен- тах), испарившейся из образца в течение 1 суток при температу- ре воздуха 20 °С и его относительной влажности 60 %. Масса испарившейся воды равна разнице между массой образца до на- чала испытания и после его окончания.
Величина влагоотдачи имеет большое значение, особенно для стеновых материалов. Свежеоштукатуренные стены всегда имеют повышенную влажность, в обычных условиях благодаря влагоотдаче стены высыхают.
Вода испаряется до тех пор, пока не установится равнове- сие между влажностью материала стен и влажностью окру- жающего воздуха, т.е. пока материал не достигнет воздушно- сухого состояния.
Гидрофильные материалы значительно быстрее насыщают- ся водой, чем высыхают.
Влажностные деформации характерны для пористых строительных материалов, при изменении влажности изменяют- ся их размеры и объем.
Набухание (разбухание) происходит при насыщении мате- риала водой. Молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы рас- клинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки во- круг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капил- лярные силы.
Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров мате- риала при высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Усадка возникает и увеличивается, когда из мате- риала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках час- тиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет
к сближению частиц материала и практически не вызывает объ- емных изменений.
Высокопористые материалы, такие как древесина, ячеистые бетоны, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой.
Древесина (поперек волокон) 30–100 мм/м
Ячеистый бетон 1–3 мм/м
Строительный раствор 0,5–1 мм/м
Тяжелый бетон 0,3–0,7 мм/м
Кирпич керамический 0,03–0,1 мм/м
Гранит 0,02–0,06 мм/м
Чередование высыхания и увлажнения пористого материа- ла, часто встречающееся на практике, сопровождается попере- менными деформациями усадки и набухания. Такие многократ- ные циклические воздействия расшатывают структуру материа- ла, нередко вызывают трещины, ускоряющие разрушение. Это характерно для бетона в дорожных покрытиях, в наружных час- тях гидротехнических сооружений. Для такого анизотропного материала, как древесина, попеременные увлажнение– высыхание кроме набухания–усадки сопровождаются коробле- нием.
С влажностными деформациями связано такое свойство строительных материалов, как воздухостойкость.
Воздухостойкость – это способность материала выдержи- вать циклические воздействия увлажнения–высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.
Испытанию на воздухостойкость должны подвергаться ма- териалы, используемые для цокольной части зданий, кровель, переменного уровня воды гидротехнических сооружений.
Водопроницаемость – это способность материала пропус- кать воду под давлением.
Характеристикой водопроницаемости служит коэффици- ент фильтрации КФ(м/ч) – объем воды (м3), просачивающейся в течение 1 ч через 1 м2поверхности материала при толщине 1 м при заданном давлении воды (разность гидростатического давления на Р1 – Р2= 1 м вод. ст.).
КФ = Vв d / [S (P1– P2) t], (5.11)
где Vв – объем воды, м3;
S – площадь поверхности, м2;
d – толщина слоя материала, м; t – время, ч;
(P1– P2) – разность гидростатического давления на проти- воположных поверхностях материала.
Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости. Степень водопроницаемости зависит от пористости мате-
риала, формы и размеров пор. Степень водопроницаемости можно снизить, повышая плотность структуры материала, изме- няя характер пористости и используя гидроизоляцию, например, из битума.
Водопроницаемость – специальное свойство, оценивается для материалов, используемых при строительстве гидротехни- ческих сооружений (плотин, дамб), резервуаров для хранения жидкостей, коллекторов, стен подвалов зданий и пр.
Водонепроницаемость – способность материала не пропус- кать воду под давлением.
Характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец материала не пропускает воду в условиях стандартного испытания.
Марки по водонепроницаемости: W2, W4, W6, W8, W12. Цифра означает давление воды в атмосферах (W2 – давле-
ние 0,2 МПа).
Марка по водонепроницаемости назначается, например, для железобетонных напорных труб.
Между коэффициентом фильтрации и маркой по водоне- проницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже КФ, тем выше марка по водонепроницаемости.
Паро- и газопроницаемость – способность материалов пропускать через свою толщу водяной пар или воздух (газы) при разности давлений на противоположных поверхностях ма- териала. Оцениваются с помощью особых коэффициентов, сходных между собой. Они равны количеству водяного пара (или воздуха), которое проходит через слой материала толщи- ной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности давлений 10 Па.
При возникновении у поверхностей ограждающей конст- рукции разности давления газа (водяного пара) происходит его перемещение через поры и трещины материала.
Стеновой материал должен обладать определенной прони- цаемостью. Тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особен- но важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондицио- нирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т.п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара.
В зимнее время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т.п.) в 1 м3воздуха содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через сте- ну или покрытие. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Соз- даются условия, способствующие быстрому разрушению мате- риала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конст- рукции при действии мороза.
Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.
В ряде случаев необходима практически полная газонепро- ницаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (например, газоубежища).
Паро- и газопроницаемость в большей степени зависят от структуры материала (плотности и пористости) (табл. 5.1).
Таблица 5.1 Относительные значения паро- и газопроницаемости
(за 1 принята проницаемость кирпича)
Материал
Плот- ность, кг/м3
Порис- тость,
%
Относительные
значения
паропрони-
цаемости
газопрони-
цаемости
Кирпич
керамический
Легкий бетон
0,8
0,9
Кирпич
трепельный
2,2
4,2
Известняк
0,7
1,2
Бетон на гравии
0,25
0,1
Водостойкость – способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении.
Степень понижения прочности материала при насыщении водой – количественный показатель водостойкости – называется коэффициентом размягчения.
Коэффициент размягчения (Кразм) рассчитывается как от- ношение предела прочности при сжатии материала в насыщен- ном водой состоянии к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии.
Кразм= Rнас/ Rсух. (5.12)
Водостойкость материала необходимо учитывать, когда строительная конструкция из этого материала должна работать во влажных условиях или подвергаться действию воды.
Если у материала есть открытые поры и он насыщается во- дой, то его прочность при этом всегда снижается. Это происхо- дит за счет расклинивающего действия воды и частичного рас- творения составляющих материала, нестабильных контактов между кристаллами и т.д.
Коэффициент размягчения строительных материалов может изменяться от 0 до 1:
– глины Кразм= 0 (материал размокает),
– гипсовые изделия Кразм» 0,6 (за счет растворимости),
– гранит, бетон,
асбестоцемент Кразм³ 0,8,
– металлы, стекло,
битум Кразм » 1.
Строительный материал считается водостойким, если Кразм³ 0,8(т.е. прочность при насыщении водой снижается не более чем на 20 %), такие материалы можно применять во влажных условиях эксплуатации без специальных мер по защи- те от увлажнения.
Морозостойкость строительного материала –это одно из важнейших физических свойств, отражающее его отношение к совместному действию воды и отрицательных температур.
Под морозостойкостью материала понимают его способ- ность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократ- ное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и понижения прочности.
Разрушение материала при замерзании в его порах воды связано:
− с давлением растущих кристаллов льда;
− с давлением воды при замерзании из-за увеличения объ- ема примерно на 9 % (так как плотность воды – 1 г/см3, а льда – 0,917 г/см3).
Насыщение материала водой в процессе эксплуатации мо- жет происходить за счет:
− капиллярного всасывания (при контакте материала с во- дой – гидросооружения, фундаменты);
− конденсации гигроскопической влаги (материалы стено- вых конструкций).
При полном заполнении всех пор и капилляров материала
водой (не менее чем на 85–90 %) разрушение может наступить при однократном замораживании. Для строительных материалов в обычных условиях такого водонасыщения не наблюдается.
Морозостойкость материала измеряется числом циклов по- переменного замораживания и оттаивания, которое выдержива- ют образцы материала без существенного изменения прочности.
Оценка морозостойкости производится по методикам ГОСТ, которые могут несколько различаться для разных мате- риалов.
1-й метод (ГОСТ 10060-87):
Насыщение образцов материала водой –
24 (72 или
96) часа
Замораживание на воздухе при
t = – (18+2) °С
не менее 4 часов
Оттаивание в воде с темпера- турой 18±2 °С не менее
4 часов
Предварительная
стадия 1 цикл
Нормируется скорость охлаждения и продолжительность пребывания при отрицательной и положительной температурах.
2-й метод (для бетона дорожных и аэродромных покрытий) предварительное насыщение и оттаивание производится в рас- творе хлорида натрия (NaCl) концентрацией 5 %.
3-й ускоренный метод испытания – насыщение и оттаива- ние в 5%-ном растворе хлорида натрия и замораживание при температуре –50 °С.
Косвенный метод оценки морозостойкости – насыщение в растворе Na2SO4и высушивание (напряжения за счет кристал- лизации Na2SO4×10H2O с увеличением объема).
Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к посте-
пенному расшатыванию структуры материала и его разруше- нию. Сначала начинают разрушаться выступающие грани, затем поверхностные слои, и постепенно разрушение распространяет- ся вглубь материала, снижается прочность (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Зависимость морозостойкости бетона от капиллярной пористости
Маркой по морозостойкости называется число циклов за- мораживания и оттаивания по стандартному методу, после ко- торого:
· материал сохраняет заданный уровень прочности (Кмрз = Rмрз/Rнас):
– не менее 95 % от исходной прочности при сжатии в водо-
насыщенном состоянии для тяжелого бетона;
– не менее 85 % прочности для большинства других мате- риалов;
– не менее 75 % прочности для строительных растворов;
· нет заметных признаков разрушения (шелушения, тре- щин), потери массы (нормируется не всегда, но если нормирует- ся, то D m £ 5 %).
Марка по морозостойкости обозначается F. Например, для бетона марки по морозостойкости: F25, 35, 50, 100, 150, 200,
300, 400, 500, 700, 1000. Для керамического и силикатного кир- пича: F15, F25, F35 и F50.
Требования к морозостойкости материала задаются в про- екте для конструкций всех сооружений, подвергающихся кли- матическим, а также технологическим воздействиям, при кото- рых конструкции могут оказаться в среде с отрицательной тем- пературой (холодильники, производство и хранение сжиженных газов и т.д.). В проектах морозостойкость нормируется марками морозостойкости, определяемыми по 1-му методу. При контро- ле морозостойкости допускается пользование переходными ко- эффициентами от 2-го и 3-го методов к морозостойкости, опре- деленной по 1-му методу.
Морозостойкость материала зависит от его строения, особенно от:
· величины пористости: чем меньше П, тем больше F, и наоборот, но эта зависимость сложная, так как не все поры ма-
териала заполняются водой (если Wv < П, значит, в материале есть замкнутые, недоступные для воды поры, заполненные воз- духом, куда может «отжиматься» вода при замерзании, разру-
шая перегородку между порами, – такие поры называют «ре- зервными»);
· характера пористости – с сообщающимися или с изоли- рованными порами. Морозостойкость материалов с высокой по- ристостью, но с замкнутым характером пор может быть доста- точно высокой (пеностекло, ячеистые бетоны – общая порис- тость до 70 %, но преобладают замкнутые поры сферической формы). У тяжелых бетонов, у которых значение пористости сравнительно невелико, но поры носят капиллярный характер,
морозостойкость резко уменьшается при незначительном уве- личении от пористости (см. рис. 5.6).
· размера пор. В микропорах материала размером менее 0,1 мкм (10–7 м) обычно содержится связанная вода, которая не переходит в лед даже при очень низких температурах (до –70 °С), поэтому такие поры не оказывают заметного влия- ния на морозостойкость материала. Морозостойкость главным образом зависит от объема макропор в материале и от их строе- ния. Наиболее опасными являются сообщающиеся между собой
капилляры диаметром более 200 мкм.
Степень повреждения материала при замораживании зави- сит от степени его водонасыщения, т.е. связана со структурой материала и с условиями эксплуатации (табл. 5.2).
Особенности увлажнения материалов
Таблица 5.2
Виды конструкций, условия эксплуата- ции
Состояние материала
Какие поры материала заполнены водой
Какие поры
материала заполнены воздухом («резервные»)
Подводные, подзем-
ные, наземные –
в контакте с водой
Водона-
сыщенное
Крупные
поры и капил- ляры
Микрокапил-
ляры
Надземные – воз-
душно-влажные
Гигроскопи-
чески увлаж- ненное
Микрокапилля-
ры (за счет кон- денсации пара)
Крупные поры
и капилляры
Степень водонасыщения ниже, а «резервная» пористость выше у материалов, используемых для ограждающих конструк- ций. Поэтому требования к морозостойкости для них сущест- венно ниже, чем для материалов, постоянно находящихся в кон- такте с водой. Например, максимальная марка по морозостойко- сти керамического кирпича – F50, а марки по морозостойкости тяжелого бетона гидротехнических сооружений, находящегося в зоне переменного уровня воды, – F300–F500.
Для повышения водостойкости строительных материалов могут использоваться различные технологические приемы, на- пример:
– в состав сырьевой смеси вводится дополнительный ком- понент, в результате изменяется фазовый состав материала, по- являются составляющие с меньшей растворимостью (переход от гипсовых смесей к гипсо-цементно-пуццолановым);
– повышение плотности структуры (снижение капиллярной пористости), т.е. снижение водопоглощения и повышение водо- стойкости.
Один из самых распространенных приемов – снижение смачиваемости поверхности пор и капилляров и внешней по- верхности изделий – гидрофобизация строительных материалов. При гидрофобизации снижается капиллярное всасывание, водо- поглощение, сорбционное увлажнение, таким образом, увеличи- вается водостойкость.
Объемная гидрофобизация осуществляется путем введения небольших количеств добавок в сырьевые смеси при изготовле- нии материалов (или при использовании гидрофобного цемен- та – для бетонов) – гидрофобизируются стенки пор и капилля- ров в объеме материала.
Введение добавок незначительно усложняет технологию изготовления изделий: большая часть из них – водорастворимые жидкости либо водоразбавляемые эмульсии.
Поверхностная пропитка поверхностного слоя раствором или эмульсией гидрофобизирующей жидкости обеспечивает не- смачиваемость внешней поверхности и гидрофобизацию по- верхности пор и капилляров наружного слоя материала.
Гидрофобизация не должна ухудшать эксплуатационные свойства изделий, например воздухо- и паропроницаемость.
Пропитка наружных слоев материала пленкообразующими веществами (битумами, полимерами) также обеспечивает сни- жение водопоглощения.
Все приемы, повышающие водостойкость, одновременно повышают и морозостойкость (особенно гидрофобизация).
Кроме этого, эффектным и сравнительно простым способом повышения морозостойкости является применение добавок.
Добавки, создающие в материале резервную пористость (мелкие замкнутые сферические воздушные поры), – это возду- хововлекающие добавки в бетонных смесях.
Добавки, повышающие плотность структуры, могут быть:
– уменьшающими объем капиллярных пор (пластифици- рующие добавки и суперпластификаторы в бетонных смесях, снижающие содержание воды);
– заполняющими (кольматирующими) поры (тонкомолотые минеральные порошки, уменьшающие сечение капилляров, снижающие проницаемость для воды).
5.2.3. Теплофизические свойства Теплопроводность – способность материала проводить че-
рез свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием
разности температур на поверхностях, ограничивающих мате- риал.
Рис. 5.7. Схема прохождения теплового потока через материал
Q = l · F·t ·(t1– t2) /a, (5.13) где Q – количество тепла, кДж;
l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); F – площадь, через которое проходит тепло, м2; а – толщина стены, м;
t1 – t2 – разность температур на поверхностях, °С;
t – время, ч.
Теплопроводность оценивают коэффициентом теплопро- водности λ, который равен количеству тепла, проходящего че- рез стену из материала толщиной в 1 м и площадью 1 м2в тече- ние 1 ч при разности температур на противоположных поверх- ностях в 1 градус Цельсия.
Единицы измерения l – Вт/(м · К). 1 Вт/(м · К) = 1,163 ккал/(м · ч · °С).
Например:
Теплоизоляционные материалы < 0,175; Кирпич керамический 0,8–0,9;
Бетон тяжелый 1,3–1,6;
Гранит 2,9–3,3.
Теплопроводность является главным свойством для тепло- изоляционных материалов, применяемых для устройства на- ружных стен и покрытия зданий. По величине λназначается класс ТИМ.
Величина теплопроводности l зависит от целого ряда фак- торов:
− плотности и пористости;
− состава и внутреннего строения материала;
− влажности и температуры материала.
Влияние плотности и пористости на теплопроводность материалов. Тепловой поток проходит через твердый каркас и воздушные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха (l = 0,023 Вт/(м · К)) меньше, чем теплопроводность твердого вещества, из которого состоит каркас строительного материала. Таким образом, чем выше пористость материала, тем ниже его теплопроводность (рис. 5.8).
Теплота через воздушный слой передается с помощью теп- лового движения молекул, конвекцией и излучением.
Конвективный теплообмен возрастает по мере роста разме- ров пор и воздушных прослоек, связывающих эти поры.
На лучистый теплообмен решающее влияние оказывает температура эксплуатации: чем выше t, тем выше l.
Для теплоизоляционных материалов предпочтительно мел- копористое строение с замкнутыми порами, это затрудняет теп- лопередачу конвекцией.
Рис 5.8. Зависимость теплопроводности ТИМ от плотности
Влияние состава и строения материала каркаса. Чем сложнее и больше по размерам молекулы вещества каркаса, тем ниже l. Поэтому при одном значении средней плотности теплопроводность ниже у органических (высокомолекулярных) материалов, чем у неорганических (низкомолекулярных) (см. рис. 5.8).
У кристаллических веществ теплопроводность выше, чем у материалов аморфного строения.
Например:
– кварц (кристаллическое строение) l = 13,6 Вт/(м·К);
– песчаник (смешанное строение) 2–3 Вт/(м·К);
– кварцевое стекло 0,7 Вт/(м·К).
У волокнистых и слоистых материалов теплопроводность зависит от направления теплового потока: вдоль или поперек волокон или слоев.
Например, у древесины сосны l|| – 0,35 Вт/(м·К);
l^ – 0,17 Вт/(м·К).
Влияние влажности на теплопроводность материалов. Теплопроводность пористых материалов резко возрастает при увлажнении и особенно замерзании воды в порах материала, так как:
lвозд.= 0,023 Вт/(м·К);
lводы.= 0,55 Вт/(м·К);
lльда.= 2,3 Вт/(м·К).
В определенных пределах теплопроводность повышается
прямо пропорционально возрастанию объемной влажности:
lw= lc +d W0,
где lw, lc – теплопроводность влажного и сухого материала, Вт/(м·К);
Wo – объемная влажность материала, %;
d – приращение теплопроводности на 1 % объемной влаж- ности;
d = 0,002 Вт/(м·К) для неорганических материалов при по- ложительной температуре, d = 0,004 Вт/(м·К) при отрица- тельной температуре.
Влияние температурных воздействий на теплопровод- ность. Повышение температуры приводит к линейному возрас- танию теплопроводности. Для пересчета значений теплопро- водности, полученных при 0 °С, на значения их при других тем- пературах служит эмпирическая формула:
lt = lo (1+bt), (5.14)
где lt, lo – теплопроводность материала при температуре t и 0 °С, Вт/(м · К);
b – коэффициент, показывающий приращение теплопро- водности на 1 °С повышения температуры (для неорганиче- ских материалов b = 0,002 при положительной температуре и b = 0,004 при отрицательной; для органических материа- лов соответственно 0,003 и 0,004).
Теплопроводность определяют физическим методом с по- мощью точной аппаратуры согласно ГОСТ 7076-78 «Метод оп- ределения теплопроводности», графическим методом и по эм- пирическим формулам (формула В.П. Некрасова).
Теплопроводность материалов учитывается в теплотехни- ческих расчетах ограждающих конструкций, толщины тепловой изоляции горячих поверхностей и холодильников.
Термическое сопротивление [(м2·К)/Вт] слоя материала за-
висит от l и толщины слоя:
R = d/l, (5.15)
где d – толщина слоя материала, м;
l – теплопроводность материала, Вт/(м · К).
Требования к термическому сопротивлению ограждающих конструкций в соответствии с изменениями СНиП II-3-79*
«Строительная теплотехника» с 1995 г. по 2000 г. возросли бо- лее чем в 3 раза. Это связано с необходимостью энергосбереже- ния в жилищном хозяйстве и других отраслях. Поэтому необы- чайно увеличилось значение теплоизоляционных материалов.
Теплоемкость – способность материалов поглощать (акку- мулировать) теплоту при нагревании. Теплоемкость оценивает- ся величиной удельной теплоемкости С, которая равняется ко- личеству тепла, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 °С.
С = Q/m (t2 – t1), (5.16)
где С – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) или Дж/(кг·°С); Q – количество тепла, Дж, кДж;
m – масса материала, кг;
t2 – t1 – разность температур, К или °С.
Удельная теплоемкость материала зависит от его природы и, в незначительной степени, от пористости. Органические ма- териалы имеют значительно большую С, чем минеральные:
– древесина, древесноволокнистые плиты – 2,4–2,7;
– битумы нефтяные, асфальтобетон, рубероид – 1,68;
– линолеум поливинилхлоридный – 1,47;
– бетоны, растворы, каменные материалы, минвата – 0,75–0,9;
– металлы и стекло – 0,48;
– вода (теплоноситель) – 4,2.
Чем больше теплоемкость материала, тем больше тепла он аккумулирует при повышении температуры окружающей среды (дольше нагревается) и тем больше выделяется теплоты при снижении температуры окружающей среды, тем самым под- держивается температурный режим в помещении. В деревянных домах тепло зимой и прохладно летом.
Показатели теплоемкости разных материалов нужны для расчета теплоустойчивости ограждающих конструкций, режима прогрева материалов при зимних работах, при расчете печных агрегатов.
Температурные деформации – изменения линейных разме- ров или объема материала при изменении его температуры.
Обычно при повышении температуры размеры и объем увеличиваются, при снижении температуры размеры и объем, соответственно, уменьшаются.
lt = l0 (1+att), (5.17)
где lt, l0 – длина образца из данного материала при температуре t и 0 °С;
t – температура, °С;
at– коэффициент линейного температурного расширения,
°С–1, характеризующий способность материала к темпера-
турным деформациям – изменение длины при увеличении температуры на 1 °С, например:
– бетон и сталь (10–12)×10–6;
– гранит (8–10)×10–6;
– древесина (3–5)×10–6;
– полимеры (25–120)×10–6.
При сезонном перепаде температур окружающей среды и материала на 50 °С относительная температурная деформация достигает 0,5–1 мм/м. Во избежание растрескивания сооруже- ния большой протяженности разрезают деформационными швами.
При создании композиционных материалов необходимо, чтобы atсоставляющих были близки (железобетон, пластмас- сы). Коэффициент температурного расширения необходимо учитывать для защитно-отделочных, облицовочных материа- лов.
Термостойкость – способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений без разруше- ния.
Термостойкость оценивают значением температуры, при нагревании до которой и последующем резком охлаждении ма- териал не растрескивается.
Термостойкость материала зависит от степени его одно- родности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям (различия коэффициентов температурного расши- рения).
Чем меньше atи выше однородность, тем выше термостой- кость, т.е. тем больший перепад температур и большее количе- ство циклов способен выдержать материал.
Например, кварц (минерал кристаллического строения) ме- нее термостоек, чем кварцевое стекло, из-за различия at.
Недостаточная термостойкость материала может служить
причиной его разрушения при тушении пожаров (стекло, бетон).
Гранит нетермостоек, поскольку в его составе содержится минерал кварц, у которого высокий at, и при нагревании (575 °С и более) происходят полиморфные превращения с изменением объема. На недостаточной термостойкости гранита основан способ добычи крупных блоков газопламенной струей.
Огнестойкость –способность материалов противостоять действию огня при пожаре в течение определенного времени без существенного снижения прочности и значительных дефор- маций.
Все материалы по степени пожарной опасности делятся на:
– несгораемые;
– трудносгораемые (зависит от химического состава);
– сгораемые.
Несгораемые материалы – это неорганические материалы: природные каменные материалы, бетон и другие материалы на минеральных вяжущих, кирпич керамический, сталь, минераль- ная вата и др.
Трудносгораемые материалы –под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются с трудом, тлеют и обуг-
ливаются, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается.
К трудносгораемым материалам относятся:
– органоминеральные материалы – асфальтобетон, цемент- но-стружечные плиты, фибролит;
– пластмассы на специальных полимерах – поливинилхло- рид, перхлорвинил, кремнийорганические полимеры, политет- рафторэтилен (тефлон);
– древесина, обработанная антипиренами.
Сгораемые материалы –органические материалы, которые под воздействием огня и высокой температуры воспламеняются или тлеют и продолжают гореть и тлеть после удаления источ- ника огня: древесина, битум, большинство полимеров.
Сгораемые материалы необходимо защищать от возгора- ния. Широко используются конструктивные меры, исключаю- щие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяется пропитка защитными веществами – анти- пиренами.
Не все несгораемые материалы можно считать огнестойки- ми. Некоторые несгораемые материалы при пожаре растрески- ваются (гранит, куда входит минерал кварц, который при тем- пературе 575 °С увеличивается в объеме) или сильно деформи- руются (металлы, стекло) при температуре, начиная с 600 °С. Конструкции из подобных материалов нередко приходится за- щищать более огнестойкими материалами.
Огнестойкость – важное свойство всех строительных мате- риалов.
Предел огнестойкости – продолжительность сопротивления воздействию огня до потери несущей способности или прочно- сти:
– металлические конструкции – 0,5 ч;
– железобетон – 1–2 ч;
– бетон – 2–5 ч.
Огнеупорность – способность материала выдерживать дли- тельные воздействия высоких температур без разрушения и де- формаций (без плавления).
−
легкоплавкие –
< 1350 °С;
−
тугоплавкие –
1350–1580 °С;
−
огнеупорные –
1580–2000 °С;
−
высшей огнеупорности –
> 2000 °С.
Строительные материалы по огнеупорности в зависимости от температуры плавления подразделяются на:
Огнеупорность зависит от химического состава материалов (Fe2O3, Na2O – снижают огнеупорность, Al2O3, SiO2– повышают огнеупорность).
Огнеупорность оценивается для специальных материалов, эксплуатируемых при высоких температурах: конструкции теп- ловых агрегатов, дымовых труб, материалы для внутренней фу- теровки промышленных печей.
Кроме этого, огнеупорность оценивают для сырьевых мате- риалов в обжиговых технологиях производства строительных материалов (для назначения температуры обжига, плавления). Например, различают легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные глины.
Легкоплавкие глины – сырье для керамического кирпича, облицовочных плиток.
Тугоплавкие глины – плитка для пола (метлахская), клин- керный кирпич.
мот.
Огнеупорные глины – санитарно-технические изделия, ша-