СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Физические свойства

Параметры состояния

Истинная плотность р (г/см3, кг/м3) — масса единицы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала т, а его объ­ем в плотном состоянии Va, то

p = m! Va. (1.1)

Относительная плотность d выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это безразмерная величина).

За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы) строительные материалы пористы. Объем V пористого материала в естественном состоянии (т. е. вместе с заключенными в нем порами) слагается из объема твердого вещества Va и объема пор Уп.

V - V +V.

f r a r п ’

Средняя плотность (г/см3, кг/м3, в последующем — плотность) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами):

Pm =fn/Ve. (1.2)

Значения плотности данного материала в сухом и влажном со-

21

стоянии связаны соотношением:

ртв=ртЛ 1 + WM), (1.3)

где WM — количество воды в материале, доли от его массы.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность легкого бетона — 500-1800 кг/м3, а его истинная плотность — 2600 кг/м3.

Плотность строительных материалов колеблется в очень широ­ких пределах: от 15 (пористая пластмасса — мипора) до 7850 кг/м3 (сталь).

Плотность и пористость распространенных строительных мате­риалов даны в табл. 1.1.

Насыпная плотность рн — масса единицы объема рыхло на­сыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.). Напри­мер, истинная плотность известняка — 2700 кг/м3, его плотность 2500 кг/м3, а насыпная плотность известнякового щебня — 1300 кг/м3. По этим данным можно вычислить пористость известня­ка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже формулами.

Структурные характеристики

Строение пористого материала характеризуется общей, откры­той и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость П есть степень заполнения объема материала по­рами:

n~vn/v.

Пористость выражают в долях от объема материала, принимае­мого за 1, или в % от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжижен­ным гелием или другой средой.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности (%) вы­сушенного материала:

п=о-Рт/р)-т. (1.4)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% (см. табл. 1.1).

Коэффициент плотности — степень заполнения объема материала твердым веществом:

Кпл=Рт/р. (1.5)

В сумме П + Кпл= 1 (или 100%), т. е. высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающе­го прочность, и воздушных пор.

Открытая пористость П0 равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V т2 ~тх 1

°~ V рН20’ ^

где т, и т2 — масса образца соответственно в сухом и насыщен­ном водой состоянии.

Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницае­мость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористость П3 равна:

П3 = П - П0.

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изде­лиях умышленно создаются открытая пористость и перфорация, не­обходимые для поглощения звуковой энергии.

В современных поромерах измерение пористости автоматизиро­вано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графиче­ской формах.

Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из данных табл. 1.1, в которой попарно сопоставлены плотные и порис­тые материалы, имеющие в основном общий химический состав.

Гидрофизические свойства

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водя­ного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденса­цией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверх­ностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличением от­носительной влажности воздуха при постоянной температуре) воз­растает сорбционная влажность данного материала (рис. 1.5).

Кривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка А).

Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных ма­териалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно
велика. Так, равновесная влажность воздушно сухой древесины со­ставляет 12-18%, стеновых материалов 5-7% по массе. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.

Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и ув­лажнять нижнюю часть стены зда­ния. Чтобы не было сырости в по­мещении, устраивают гидроизоля­ционный слой, отделяющий фунда­ментную часть конструкции стены от ее наземной части.

Капиллярное всасывание ха­рактеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством по­глощенной воды и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по фор­муле

h = 2crcos вl{rpg), (1-7)

где а — поверхностное натяжение; в — краевой угол смачивания; г — радиус капилляра; р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.

Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасы­вания воды определяют, применяя метод «меченых атомов» либо по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенной материалом путем капиллярного вса­сывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболиче­скому закону:

V2=Kt, (1.8)

где К —константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания отражает улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его морозо­стойкости.

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20±2 °С. Водопогло­щение, определяемое погружением образцов материала в воду, ха­рактеризует в основном открытую пористость, так как вода не про­никает в закрытые поры. К тому же при извлечении 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.

Водопоглощение определяют по объему и массе.

Водопоглощение по объему W0 (%) — степень заполнения объе­ма материала водой:

(1.9)

где тв — масса образца материала, насыщенного водой (г), тс — масса образца в сухом состоянии (г).

Водопоглощение по массе Wm (%) определяют по отношению к массе сухого материала:

Разделив почленно WQ на Wm, получим:

(1.11)

причем объемная масса сухого материала выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина).

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02-0,7%, тяжелого бетона — 2-4%, кирпича — 8-15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов мо­жет быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой, рав­ный отношению водопоглощения по объему к пористости:

кн =Wa/n.

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в мате­риале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W0 - П. Уменьшение Кн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой

пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства ма­териала, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопро­водность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Коэффициент размягчения Кр — отношение прочности мате­риала, насыщенного водой RB, к прочности сухого материала Rc:

Kp=RB/Rc.

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость мате­риала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не приме­няют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать во­ду под давлением.

Коэффициент фильтрации Кф (м/ч) характеризует водопрони­цаемость материала:

Кф^У^ІІБІр.-р. УІ

где Кф-Ув — количество воды (м3), проходящей через стенку

площадью S' = 1 м3, толщиной а = 1 м за время t = 1ч при разности гидростатического давления на границах стенки р1 - р2 = 1 м вод. ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.

Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется мар­кой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и мар­кой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже Кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

Водопроницаемость не допускают при строительстве гидро­технических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов зданий. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Газо - и паропроницаемость. При возникновении у поверхно­стей ограждения разности давления газа происходит его перемеще­ние через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро - и микропоры, перенос газа может происходить одновремен­но вязкостным и молекулярным потоками.

Использование закона Дарси-Пуазейля[1] при небольших пере­падах давлений, когда можно пренебречь изменением плотности газа, приводит к упрощенной формуле для определения массы газа Vр (плотностью р), прошедшего через стенку площадью S и тол­щиной а за время t при разности давлений на гранях стенки Ар:

Vр - KrStAp/ а. (1.15)

Отсюда можно определить коэффициент газопроницаемости (г/м-ч'Па):

Kr=aVp/StAp. (1.16)

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводит к нормальным условиям.

Стеновой материал должен обладать определенной прони­цаемостью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондициониро­вание 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 м3 воздуха содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Создаются условия, способст­вующие быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конструкции 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 газонепрони­цаемость; 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 большой степени зависят от струк­туры материала (плотности и пористости) (табл. 1.2).

Влажностные деформации. Пористые неорганические и орга­нические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влаж­ности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних ка­пиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклини­вают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные цикличе­ские воздействия нередко вызывают трещины, ускоряющие разру­шение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрыти­ях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц мате­риала и практически не вызывает объемных изменений.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), спо­собные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой:

Вид материала Усадка, мм/м

TOC o "1-5" h z Древесина (поперек волокон) 3 0-100

Ячеистый бетон 1-3

Строительный раствор 0,5-1

Кирпич 0,03-0,1

Тяжелый бетон 0,3-0,7

Гранит 0,02-0,06

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозо­стойкость материала количественно оценивается циклами и соответ­ственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозо­стойкости принимают наибольшее число циклов попеременного за­мораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материа­ла без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений-трещин, выкраши­вания (потери массы — не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвер­гающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с уче­том вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Кли­матические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замо­раживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку 50, 100, 200, а гидротехнический бетон — 500.

Рассмотрим причины разрушения пористого материала под влиянием совместного действия на него воды и мороза. Для примера возьмем материал, находящийся в ограждающей конструкции, — бетон. Осенью наружная часть стены промерзает. В это время про­исходит миграция — перемещение пара «от тепла к холоду», т. е. пар стремится наружу, поскольку его давление при отрицательной тем­пературе ниже, чем при положительной. Например, давление пара при +20 °С составляет 2,33 кПа, а при -10 °С оно равно только 0,27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низ­ких температур и конденсируется в порах возле наружной грани сте­ны. Таким образом, поры наружной промерзающей части стены об­водняются (рис. 1.6), причем вода прибывает сюда как снаружи

30

(дождь с ветром), так и изнутри (миграция водя­ного пара). При наступле­нии даже небольших мо­розов (от -5 до -8°С) вода в крупных порах замерза­ет и при переходе увели­чивается в объеме на 9%

(плотность льда 0,918).

Если коэффициент насы­щения водой хотя бы час­ти пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается в виде «ше­лушения» поверхности бетона, затем оно распро­страняется вглубь.

Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаива­ния подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кир­пич и т. п.). Перед испытанием образцы насыщают водой. После это­го водонасыщенные образ­цы замораживают в холо­дильной камере при темпе­ратуре от -15 °С до -20 °С, чтобы за мерзла вода в тон­ких порах. Извлеченные из холодильной камеры образ­цы оттаивают в воде темпе­ратурой 15-20 °С, что обес­печивает водонасыщенное состояние образцов.

Для оценки морозо­стойкости все шире приме­няют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуко­
вой метод. С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического заморажива­ния (рис. 1.7) и определить марку бетона по морозостойкости в цик­лах замораживания и оттаивания, число которых соответствует до­пустимому снижению прочности (AR) или модуля упругости (АЕ).

Теплофизические свойства

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является глав­ным как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и по­крытий зданий.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздуш­ные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха Л-0,023 Вт/(м °С) меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит “каркас” строительного материала. Поэтому увеличение по­ристости материала является основным способом уменьшения тепло­проводности. Стремятся создавать в материале мелкие закрытые по­ры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвенцией и из­лучением.

На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала (рис. 1.8). Известна формула В. П. Некрасова, связываю­щая теплопроводность Л [Вт/(м °С)] с относительной плотностью каменного материала d:

(1.17)

Точное значение Я определяют для данного материала экспери­ментально.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его тепло­проводность, так как теплопроводность воды [0,58 Вт/(м-0С)] в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает Я, так как теп­лопроводность инея равна 0,1, а льда — 2,3 Вт/(м,0С), т. е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается. Показатели теплопро­водности для некоторых материалов приведены в табл. 1.1.

Теплоемкость — это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять тепло при остывании; опреде­ляется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теп­лоемкость стали — 0,48 кДж/(юг°С), неорганических строитель­ных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных мате­риалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг °С). Теп­лоемкость сухих органических материалов (например, древесины) — около 2,39-2,72 кДж/(кг °С), вода имеет наибольшую тепло­емкость -4,19 кДж/(кг °С), поэтому с повышением влажности мате­риалов их теплоемкость возрастает.

Показатели теплоемкости разных материалов нужны для тепло­технических расчетов.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не размягча­ясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350 °С.

Огнестойкость — свойство материала сопротивляться дейст­вию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т. е. от его способности воспламеняться и гореть.

Несгораемые материалы — это бетон и другие материалы на минеральных вяжущих, кирпич керамический, сталь и др.

Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые ма­териалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформи­руются (металлы) при температуре начиная с 600 °С. Поэтому кон­струкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высо­кой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их го­рение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипи­ренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты).

Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко использу­ют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздей­ствие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества — антипирены.

Коэффициент линейного температурного расширения бетона и стали 1010‘6 °С'1, гранита — 8-10-10б °С1, дерева — 20—10'6 °С1. При сезонном изменении температуры окружающей среды и мате­риала на 50 °С относительная температура деформации достигает 0,5■ 10"3—1 * 10"3, т. е. 0,5-1 мм/м. Во избежание растрескивания соору­жения большой протяженности разрезают деформационными шва­ми.