1.3 Физические свойства строительных материалов
(стр. 16-22)
Физические свойства характеризуют физическое состояние материала и определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. К важнейшим физическим свойствам строительных материалов относятся: истинная и средняя плотность, пористость, водопоглощение и водопроницаемость, морозостойкость.
Истинная плотность (r
) – масса единицы объема сухого материала в абсолютно плотном состоянии
Строительные материалы, за немногими исключениями (стекло, металлы, пластмассы), имеют поры, поэтому определение истинной плотности предусматривает измельчение материала в порошок. Цель измельчения состоит в разрушении пор и достижении суммарного объема частиц материала, равного его объему в абсолютно плотном состоянии. Истинная плотность для строительных материалов – величина относительно постоянная и определяется прежде всего их химическим составом.
Средняя плотность (rс )
– масса единицы объема сухого материала в естественном состоянии с порами и пустотами.
Пористость (П)
– это степень насыщенности материала воздушными включениями в виде пор. Пористость выражают в частях или в процентах от объема материала. Зная истинную и среднюю плотность материала, можно рассчитать его пористость.
Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах (от 0 до 98 %). От величины пористости, размера и формы пор, их характера (замкнутые или открытые) зависит много важных свойств материалов: плотность, прочность, морозостойкость, коррозионная стойкость, водонепроницаемость, теплопроводность и т.п..
Для строительных материалов, которые часто используются в виде рыхлых зернистых, порошкообразных или волокнистых материалов (например, для цемента, извести, песка, гравия, щебня, шлако- и стекловаты), практическое значение имеет так называемая насыпная плотность.
Насыпная плотность (rн )
– масса единицы объема рыхлонасыпных материалов. Если средняя плотность материала относится к отдельным образцам, то насыпная плотность учитывает еще пустоты, которые получаются в объеме насыпанных в кучу частиц, кусков или волокон материала.Для определения насыпной плотности используют стандартный мерный сосуд
Гидрофизические свойства материалов, характеризуют их отношение к воде. Эти свойства определяют такими параметрами как влажность, водопоглощение, водопроницаемость, капиллярное всасывание, гигроскопичность, набухание и усадка. Важными свойствами с этой точки зрения также является гидрофильность – способность смачиваться водой, и гидрофобность – способность не смачиваться водой.
Влажность – это содержание в материале свободной воды.
Водопоглощение (В) – это способность материала вбирать и задерживать в себе воду. Оно оценивается как отношение количества вобранной влаги, которая помещается в материале, к массе материала в абсолютно сухом состоянии:
Водопоглощение можно рассчитывать и по отношению к объему материала, выражая, благодаря этому, степень заполнения материала водой.
Следует иметь в виду, что с увеличением влажности снижается прочность и морозостойкость материалов и изделий и повышается их средняя плотность и теплопроводность, что необходимо учитывать при оценке способности материалов к использованию. Для уменьшения водопоглощения искусственных материалов необходимо стремиться получать замкнутые мелкие поры, равномерно распределенные по объему материала.
С понятием водопоглощения тесно связанно понятие водопроницаемости. Водопроницаемость – способность материала фильтровать через себя воду под действием одностороннего давления. Численным показателем водопроницаемости является коэффициент фильтрации (Кф), равный количеству воды, профильтровавшейся через тело материала площадью 1 м
2 за 1 секунду при заданном давлении воды, или марка водопроницаемости (v), представляющая величину одностороннего гидростатического давления, при котором образец – цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Особо плотные материалы (например, сталь, стекло, битум) и материалы с замкнутыми мелкими порами (например, специальный бетон, пенополиуретан и т.п.) практически водонепроницаемы.Одним из показателей физического взаимодействия воды с капиллярно-пористыми материалами является капиллярное всасывание. Оно имеет место, например, в том случае, если часть конструкции находится в контакте с влажным грунтом, и приводит к подъему воды по капиллярам в вишерасположенные слои материала, увлажняя их.
Способность поглощать водные пары из воздуха характеризует гигроскопичность материалов и их сорбционные свойства.
К гидрофизическим явлениям относятся также влажностные деформации материалов, связанные с их набуханием и усадкой. При насыщении материалов водой происходит их набухание (увеличение объема), а при высушивании – усадка (уменьшение линейных размеров и объема). Многоразовое попеременное увлажнение и высушивание материалов является опасным, поскольку приводит к накоплению в них остаточных деформаций, появлению трещин и снижению прочности.
Водостойкость – Способность материалов сохранять физико-механические свойства в насыщенном водой состоянии. Это свойство связанно с возможностью растворения в воде составных частей материалов. Растворение – это физико-химический процесс перехода ионов или молекул данного вещества в воду и их гидратации. Количественным показателем водостойкости является коэффициент размягчения (Кразм
), который определяется как отношение предела прочности при сжатии образца материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности образцов в сухом состоянии. Если значение Кразм меньшее 0,8, то материал считают неводостойким.
Для некоторых материалов важным качеством является воздухопроницаемость. Так, материал стеновых конструкций жилых домов, например, должен обеспечивать естественную вентиляцию через внешние стены. Материал газонепроницаемых конструкций обеспечивает сохранение газов в емкостях и в сооружениях, в которые не должно быть проникновения вредных газов или загрязненного воздуха.
Морозостойкость – это способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать определенное количество циклов замораживания и оттаивания. Количественной характеристикой морозостойкости является число циклов замораживания насыщенных водой образцов материала при температуре минус 20 оС в течение 4 часов и таяние также в течение 4 часов при температуре плюс 10 оС. При этом допускается снижение прочности материала не более, чем на 15 %, а потеря массы - не более чем на 5 %.
Теплофизическими свойствами
(теплоемкостью, термической стойкостью, теплопроводностью, огнеупорностью, огнестойкостью) характеризуется отношение материалов к тепловым воздействиям.Теплоемкость – способность материала поглощать подводящееся к нему тепло. Теплоемкость численно равняется количеству теплоты, которую необходимо подвести к материалу, чтобы повысить его температуру на 1 оС. Отнесенная к единице массы вещества (кг), она носит название удельной теплоемкости и измеряется в кДж×кг-1×град-1. Коэффициент теплоемкости – важный показатель свойств материалов, позволяющий рассчитывать количество тепла, которое аккумулируют материалы при высушивании и обжиге и отдают при охлаждении. Его используют при тепловых расчетах печей, сушилок, пропарочних камер и проведении расчетов теплостойкости оградительных конструкций.
Теплопроводность (l ) – способность материала передавать тепловой поток через толщу от одной своей поверхности к другой. Теплопроводность численно равняется количеству теплоты (Дж), проходящей сквозь материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 с при разности температур по обе стороны материала 1 оС.
Теплопроводность – важная характеристика материала, зависящая от его минералогического и фазового состава, пористости и влажности. Чем выше пористость и ниже влажность материала, тем меньше его теплопроводность, что связано с низкой теплопроводностью воздуха (l возд = 0.023 Вт× м-1× град-1) и достаточно высокой – воды (l вод = 0.59 Вт× м-1× град-1). Учет теплопроводности материалов используется при теплотехнических расчетах для определения толщины стен и перекрытий домов и определения толщины тепловой изоляции.
В табл. 1.2 приведены истинная, средняя плотность и теплопроводность наиболее распространенных строительных материалов.
Важным теплофизическим показателем материалов является термическое сопротивление (Rтерм), определяемое как отношение толщины слоя данного материала (d) конструкции к его теплопроводности (l ).
Термическое сопротивление
– нормируемая величина. Для данного вида материала с конкретным значением l устанавливается минимальная толщина внешних стен, которая обеспечивает допустимые потери тепла в окружающую среду и исключает перерасход топлива на обогрев домов. Термическое сопротивление нормируется в пределах от 1.5 до 2.5 м2×град× Вт-1, в зависимости от климатического района.Таблица 1.2 – Основные свойства строительных материалов
|
Наименование материала |
Плотность, r , кг× м-3 |
Средняя плотность, r o, кг× м-3 |
Теплопроводность, l , Вт× м-1× град-1 |
|
Асфальтобетон |
2600 |
2100 – 2200 |
0,80 – 0,90 |
|
Базальт |
3300 |
2700 – 3200 |
1,8 – 3, 0 |
|
Бетон цементный |
2600 |
2000 – 2200 |
0,95 – 1,6 |
|
Гипсовые изделия |
2700 |
700 – 1300 |
0,2 – 0,45 |
|
Гранит |
3000 |
2500 – 2900 |
3,2-3,5 |
|
Дуб |
1650 |
700 – 900 |
0,22 |
|
Железобетон |
– |
2400 – 2500 |
0,95 – 1,6 |
|
Известняки плотные |
2600 |
1600 – 2100 |
0,5 – 0,98 |
|
Керамзитобетон |
2600 |
800 – 1400 |
0.2 – 0.4 |
|
Кирпич глиняный |
2700 |
1600 – 1900 |
0,30 – 0,52 |
|
Кирпич силикатный |
2600 |
1800 – 2000 |
0,46 – 0,85 |
|
Мрамор |
2900 |
2600 – 2800 |
3,5 |
|
Минеральный войлок |
2800 |
300 – 500 |
0,08-0,14 |
|
Минеральные плиты жесткие |
2400 |
150 – 250 |
0,065 – 0,092 |
|
Мипора |
– |
15 – 20 |
0,03 – 0,04 |
|
Пенобетон |
2800 |
300 – 900 |
0,16 – 0,35 |
|
Пенопласты |
– |
30 – 200 |
0,031 – 0,058 |
|
Раствор известково-песчаный |
2800 |
1600 – 1800 |
0,17-0,60 |
|
Стекло |
2600 |
2500 |
0,75 |
|
Стеклянная вата |
2700 |
150 – 200 |
0,05 |
|
Сосна |
1600 |
500 – 600 |
0,16 – 0,20 |
|
Сталь |
7850 |
7850 |
58,0 |
|
Торфоплиты |
1600 |
150 – 250 |
0,06 – 0,07 |
|
Шлакобетон |
2500 |
900 – 1700 |
0,40 – 0,60 |
Термостойкость
– способность материала выдерживать переменное нагревание и охлаждение без снижения прочности и целостности. Количественной характеристикой термостойкости является число циклов переменного нагревания материала и его охлаждения по стандартизованной методике до потери им 20 % начальной массы. Термостойкость материалов увеличивается при повышении их теплопроводности и прочности, снижении модуля упругости и увеличении однородности. Большое влияние на термостойкость оказывает коэффициент термического расширения (КТР). Материалы, в которых КТР превышает 80×10-7 см-1, как правило, имеют низкую термостойкость. Если КТР материала меньше 40×10-7 см-1, то он характеризуются высокой термостойкостью, например, термостойкие изделия из кварцевого стекла, имеют КТР менее 7×10-7 см-1.