Структурные характеристики

1.1 Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле (кг, г). Масса обладает определенным объемом, т.е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу.

1.2 Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала (кг/м³, г/см³):

r = m / V, (1)

где m – масса материала, кг (г); V- объем в плотном состоянии, м³ (см³).

Большинство строительных материалов пористые - в их объеме помимо твердого вещества находятся воздушные ячейки (поры), заполненные воздухом, плотность которого несравнимо ниже плотности твердого вещества. Поэтому для строительных материалов определяют среднюю плотность.

1.2 Средняя плотность – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии, включая поры и пустоты (кг/м³, г/см³):

r_о = m / V_е , (2)

где m – масса материала, кг (г); V_е – объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Относительная плотность – выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях (безразмерная величина):

d= r_I (T_I; P_I) / r_ст (T_ст; P_ст), (3)

где r_I - плотность материала, кг/м³; r_ст - плотность стандартного вещества, кг/м³.

В качестве стандартного вещества принимают воду при +4 ^оС, имеющую при этой температуре плотность 1000 кг/м³. Например: легкий бетон r_о=1400 кг/м³иметт относительную плотность d=1,4.

Для характеристики материалов, состоящих из отдельных зерен (цемент, песок, гравий), используют так называемую насыпную плотность.

1.3 Насыпная плотность – отношение массы зернистых или порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами (кг/м³, г/см³, кг/л):

r_нас = m / V_нас, (4)

где m – масса зернистого или порошкообразного материала, кг (г); V_нас – объем, который занимает определенная масса материала, находящегося в рыхлонасыпном состоянии, м³ (л).

Подавляющее большинство современных материалов кроме жестко-вязкого (твердого) вещества содержат в структуре поры – промежутки, полости, ячейки. Их количество и характер (размеры, распределение, открытость или закрытость) влияют на эксплуатационно-технические свойства

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

1.4 Пористость – степень заполнения объема материала порами:

П = V_П / V_е, (5)

где V_П – объем пор, м³ (см³); V_е - объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Расчетно-экспериментальный метод определения пористости, %, использует найденные опытным путем значения плотности высушенного материала:

П = (1 - r_о / r) · 100. (6)

Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 98 %. В зависимости от показателя пористости различают низкопористые (менее 30 %), среднепористые (от 30 до 50 %) и высокопористые (более 50 %) материалы. На свойства материалов оказывает влияние величина пористости, размер и характер пор. Пористый материал содержит открытые и закрытые поры, размер пор может быть как несколько ангстрем, так и несколько миллиметров. По размеру поры классифицируют на:

- макропоры >0,5 мкм (5×10³ А);

- капиллярные поры >1 мкм (10⁴ А);

- контракционные поры 1…10^-2 мкм (10⁴…10² А);

- поры геля – 10^-2…10^-4 мкм (50…15 А).

Из представленной классификации к элементам макроструктуры относятся макропоры и крупные капилляры. Капиллярами называют, как правило, канальные поры, которые способны впитывать жидкость. Этот процесс имеет место при определенных условиях, связанных с радиусом капилляра, свойствами жидкости и твердой фазы, а также взаимодействием жидкости с внутренней поверхностью капилляра. Увеличение замкнутой пористости повышает долговечность материала.

Плотность и пористость в значительной степени определяют такие свойства материалов как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

1.5 Пустотность – степень заполнения определенного объема зернистым или порошкообразным материалом (%) или количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала:

П = (1 - r _нас / r) х 100 (7).

Например, пустотность песка кубанского речного достигает 50%.

Физические свойства

2.1 Гигроскопичность – свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации.

Гигроскопичность материала зависит от температуры воздуха, его относительной влажности, вида, количества и размера пор, а также от природы самого материала. Например: одни материалы энергично притягивают своей поверхностью молекулы воды – их называют гидрофильными (древесина), другие отталкивают воду – гидрофобные (асфальтобетон).

2.2 Влажность – содержание влаги в материале в данный конкретный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность определяют по формуле:

W = [(m₁ – m₂)/m₂]х100, (8)

где m₁ - масса материала в естественно влажном состоянии, г; m₂ – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Высокой можно считать влажность более 20 %, низкой - менее 5 %.

2.3 Капиллярное всасывание – способность воды подниматься по капиллярам материала и увлажнять ту его часть которая не находится в воде. Так, например грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть стены от ее наземной части.

2.4 Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду в своих порах.

Характеризуется водопоглощение максимальным количеством воды, поглощаемым сухим образцом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объему (объемное водопоглощение Wv).

Водопоглощение по массе W_m (%) и объемное водопоглощение Wv (%) определяют по следующим формулам:

W_m =[(m_B – m_C)/ m_C ] х 100, (9)

где m_C – масса образца материала в сухом состоянии, кг (г); m_B – масса образца материала, насыщенного водой, кг (г).

W v = (10)

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивает плотность, теплопроводность возрастает, прочность понижается.

Отношение между водопоглощением по массе и объемным водопоглощением численно равно относительной плотности материала:

W_m/ W v= d (11)

Многие строительные конструкции (стены и фундаменты зданий, мостовые конструкции, покрытия дорог, конструкции гидротехнических сооружений) подвергаются совместному действию влаги и знакопеременных температур, которые постепенно приводят их к разрушению. Причина разрушения – расширение (примерно на 9 %) воды при замерзании в порах материала.

2.5 Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения.

Испытание строительных материалов на морозостойкость заключается в цикличном попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и последующем определении потери материалом массы и прочности. Замораживание и последующее оттаивание образца составляет один цикл, продолжительность цикла не должна превышать 24 часа. Количество циклов испытания принимают в соответствии с ГОСТом на материал. Так, бетон, применяемый для стен зданий должен выдерживать 35…50 циклов, а бетон для гидротехнических сооружений – 300 циклов и более.

Выдержавшими испытание на морозостойкость считаются те материалы, которые после установленного для них ГОСТом числа циклов замораживания – оттаивания не имеют видимых признаков разрушения (не крошатся, не растрескиваются, не расслаиваются) и потери прочности и массы образцов не должны превышать значений, установленных ГОСТом на данный материал. Например, для бетона потери прочности при испытании на морозостойкость не более 5 %, для кирпича и строительных растворов не более 25 %.

По числу циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют марку материала по морозостойкости F10, F15, F25, F50, F100, F150, F200 и более.

Материалы, выдерживающие 100 и более циклов замораживания-оттаивания, обладают высокой морозостойкостью, десятки циклов - удовлетворительной, менее 10 – низкой.

2.6 Коэффициент размягчения К_Р – отношение прочности материала, насыщенного водой R_В , к прочности сухого материала R_C:

К_Р = R_В / R_C (12)

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

2.7 Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением.

Коэффициент фильтрации, К_Ф (м/ч), характеризует водопроницаемость материала

К_Ф = V_В а / [ S (р₁ – р₂) t ], (13)

где К_Ф = V_В - количество воды (м³), проходящей через стенку площадью S = 1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки р₁ – р₂ = 1 м вод. ст. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости. Свойство обратное водопроницаемости – водонепроницаемость. Характеризует структуру плотных материалов, работающих в условиях непосредственного контакта с водой. Водонепроницаемость материала характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец материала не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Марки по водонепроницаемости, например бетона W2, W4, W6. W8, W10, W12. Цифра показывает величину давления воды в кг/см², при котором стандартный образец не пропускает воду. Плотные материалы, например сталь, стекло, битум, водонепроницаемы.

Пористые неорганические и органические материалы (бетон, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры. Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при высыхании. Набухание (разбухание) - увеличение размеров материала при насыщении его водой. Чередование высыхания и увлажнения пористого материала сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания со временем приводящие к потери несущей способности материала.

2.8 Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать многократные увлажнения и высушивания без значительных деформаций и потери механической прочности. Повысить воздухостойкость материала можно приданием материалу водоотталкивающих свойств.

2.9 Газо- и паропроницаемость. Газопроницаемость – свойство пористых материалов пропускать газ при возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа. Газ перемещается через поры и трещины материала и поскольку материал имеет макро и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярными потоками. Коэффициент газопроницаемости К_Г (мг/м ч Па) фактически является физической константой для каждой пористой структуры – масса газа V_r (плотностью r) прошедшего через стенку площадью S и толщиной а за время t при разности давлений на гранях стенки ∆р:

К_Г = а V_rr / S t ∆р, (14)

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью, т.е. стена должна "дышать" – через наружные стены должна происходить естественная вентиляция помещений. Газопроницаемость (воздухопроницаемость) материалов следует учитывать при применении их в наружных стенах и покрытиях зданий, а также в конструкциях специальных сооружений.

2.10 Паропроницаемость – свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар.

Паропроницаемость следует учитывать при выборе материала для изоляции помещений. В зимнее время внутри теплых помещений 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 материале ограждающих конструкций, ухудшаются теплозащитные свойства ограждающих конструкций и создаются условия, способствующие быстрому разрушению материала наружной ограждающей конструкции при действии мороза.

Коэффициент паропроницаемости, m (мг/м ч Па) некоторых строительных материалов, например бетон тяжелый r=2500кг/м³ - m = 0,03 мг/м ч Па, бетон легкий r=1000 кг/м³ - m = 0,14 мг/м ч Па, бетон ячеистый r=400 кг/м^{3 -} m = 0,23 мг/м ч Па, раствор r=1800 кг/м³ - m = 0,09 мг/м ч Па, кирпичная кладка r=1800 кг/м³ – 0,11 мг/м ч Па.

Теплофизические свойства

3.1 Теплопроводность – свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал.

Теплопроводность материала оценивается коэффициентом теплопроводности, l (Вт /м ^оС) - количеством теплоты, проходящей через стену из испытываемого материала толщиной 1 м за время 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 1^оС.

Теплопроводность материала зависит от природы самого материала, его строения, характера и вида пор, плотности, влажности, а также средней температуры, при которой происходит передача теплоты. На практике о теплопроводности материала судят по его плотности. Известна формула В.П. Некрасова, связывающая теплопроводность l (Вт/м ^оС) с относительной плотностью материала d:

l = 1,16 ×√ 0.0196 + 0,22d² - 0,16, Вт /м ^оС. (15)

Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависит от направления потока теплоты по отношению к волокнам (слоям), например, теплопроводность древесины вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон. Влага, попадающая в материал, увеличивает теплопроводность, так как теплопроводность воздуха l =0,023 Вт /м ^оС, воды - l =0,58 Вт /м ^оС, т.е. в 25 раз больше воздуха. Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает теплопроводность, так как теплопроводность льда l= 2,3 Вт /м ^оС, т.е. в 4 раза больше, чем воды. Для получения материала с низким значением теплопроводности стремятся создать мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество теплоты, передаваемой конвекцией и излучением.

3.2 Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании тепло.

Характеризуется теплоемкость удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 ^оС:

С = Q / [m (t₂ – t₁)], Дж/ (кг ^оС) (16)

где Q – количество тепла, затраченное на нагревание материала от температуры t₁ до t₂ , Дж; m – масса материала, кг.

Удельная теплоемкость стали - 460 Дж/(кг ^оС), тяжелого бетона - 800…900 Дж/ (кг ^оС); лесных материалов - 2380…2720 Дж/ (кг ^оС), воды - 4190 Дж/ (кг ^оС). Вода имеет наибольшую теплоемкость, поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает.

Теплоемкость материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева составляющих бетона и раствора для зимних работ. А также при расчете печей, сушильных агрегатов и т. д.

3.3 Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не размягчаясь и не деформируясь.

Материалы по степени огнеупорности подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. К огнеупорным относят материалы, выдерживающие продолжительное воздействие температуры от 1580 ^оС и выше. Их применяют для внутренней футеровки (облицовки) промышленных печей (шамотный кирпич). Тугоплавкие материалы выдерживают температуру 1350-1580 ^оС (гжельский кирпич для кладки печей). Легкоплавкие имеют огнеупорность ниже 1350 ^оС (обыкновенный глиняный кирпич).

3.4 Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени.

Пожар – неконтролируемое горение, приводящее к ущербу.

По степени огнестойкости строительные материалы делят на негорючие (несгораемые) и горючие (трудносгораемые и сгораемые).

Горючесть - способность веществ и материалов к развитию горения.

Негорючие материалы(неорганические материалы) при действии огня и, соответственно, высокой температуры не воспламеняются, не тлеют, и не обугливаются – бетонные и железобетонные изделия и конструкции, кирпич керамический, гранит, сталь и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые негорючие материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, начиная с 600 ^оС. Поэтому конструкции из таких материалов при необходимости приходиться защищать более огнестойкими материалами.

Горючие строительные материалы (органические материалы) в зависимости от значений параметров горючести (температуре дымовых газов, степени повреждения по длине, %, степени повреждения по массе, %, продолжительности самостоятельного горения, секунды, подразделяют на четыре группы Г1, Г2, Г3, Г4.

Трудносгораемые материалы (Г1) под воздействием огня тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (пропитанная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты.

Сгораемые материалы (Г2, Г3, Г4) под воздействием огня или высоких температур воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. К таким материалам в первую очередь следует отнести дерево, войлок, рубероид и др.