Физико-технические свойства строительных материалов

2. Физико-технические свойства строительных материалов

 

Все свойства строительных материалов можно условно разделить на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства в свою очередь подразделяют на общефизические, характеризующие структуру материала, гидрофизические, теплофизические и акустические.

К общефизическим свойствам относятся: истинная плотность, средняя плотность и пористость материала.

Многие строительные материалы, в частности бетоны – капиллярнопористые тела.

Истинная плотность (r) – масса единицы объема вещества в абсолютно плотном состоянии, без пор и пустот.

Согласно СТБ 4.211-94

, (1)

где r – истинная плотность, кг/м³; т – масса, кг; V – объем, занимаемый веществом, м³.

Для многокомпонентных композиционных материалов определяют средневзвешенное значение истинной плотности:

r=Sr_cim_i/Sm_i,

где r_ci - плотность i-го компонента бетона (например, плотность: кварцевого песка - r_c1=2650 кг/м³, цементных новообразований - r_c2=3100 кг/м³, вспученного перлитового песка (ВПП) - r_c3=2000 кг/м³); m_i - содержание i-го материала в бетоне.

Истинная плотность большинства строительных материалов больше единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С). Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300 кг/м³; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 – 1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м³.

Средняя плотность (r_ср) – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии с пустотами и порами

, (2)

где  – средняя плотность, кг/м³; т – масса материала (изделия) в естественном состоянии, кг; V – объем материала (изделия), м³.

Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем определяют путем вычислений по измеренным геометрическим размерам; если же образец неправильной формы, – по объему вытесненной жидкости.

Для сыпучих материалов (песок, цемент, щебень, гравий) определяют насыпную плотность.

Насыпная плотность (r_н) – масса единицы объема сыпучих материалов в свободном (без уплотнения) насыпном состоянии. Формула расчета и размерность показателя те же, что в (1) и (2). В единицу объема таких материалов входят не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объему, называют пустотностью.

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м³ (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м³ у тяжелого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем выше средняя плотность, тем прочнее материал.

Для пористых строительных материалов истинная плотность больше средней плотности. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Важной характеристикой строительных материалов является их общая пористость (П).

Поры бывают открытыми и условно закрытыми или замкнутыми. При этом

П_п=П₁+П₂,

где П₁, П₂ – доля, соответственно, открытых (капиллярных) и закрытых пор.

По величине истинной и средней плотности рассчитывают общую пористость (П_п) материала в % (ГОСТ 12730.1-78)

(3)

Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в воду открытые поры полностью или частично, что зависит от размера пор, заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может.

Открытую или капиллярную пористость (W_о) определяют, как и влажность по объему, по водонасыщению материала под вакуумом или кипячением его в воде

, (4)

где т – масса образца в сухом состоянии, г; m₁ – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; V – объем образца, см³.

Общая пористость различных по назначению материалов изменяется в широком диапазоне. Так, для тяжелого, прочного конструкционного бетона – 5 – 10 % , кирпича, который как стеновой материал должен обеспечить прочность, легкость стеновой конструкции и пониженную теплопроводность, – 25 – 35 % , для эффективного теплоизоляционного материала пенопласта – 95 %.

Большое влияние на свойства материалов оказывают не только величина пористости, но и размер пор, их характер (например, ячеистые поры – 0,2-10 ^–4 см; капиллярные – 10 ^–4 – 10 ^–5 см; гелевые поры – 10 ^-6 см).

При увеличении объема замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким, но в то же время он приобретает акустические свойства.

Влажность по массе материала определяется из выражения:

,

где: m_в – масса образца в увлажненном состоянии,

m_с – масса образца, высушенного до постоянной массы.

Влажность материала по объему при его средней плотности ρ определяется из выражения:

Wo=ρ ^. Wm

Из статистической физики известно, что в реальных средах всегда есть флуктуации физических величин (плотности, температуры и т.д.). Наличие флуктуаций приводит к неоднородности и анизотропии параметров качества формовочной смеси и строительных материалов.

Существенное значение при оценке качества сухих и влажных сырьевых смесей имеет фактор статистической макрооднородности.

Значения конкретного статистического параметра качества (В) зависят от координат точки, в которой производится измерение. В общем случае параметр D_і может быть вычислен, например, по формуле:

D_і=В_{і min}/В_{і max},

где В_{і min}, В_{і max} – соответственно, минимальное и максимальное значения параметров качества бетона в одном направлении.

Микро(нано)неоднородность материала бетона является причиной анизотропии его свойств.

Коэффициент анизотропии (А_j) как характеристика микроструктуры в конкретной точке материала может быть вычислен, например, по формуле:

А_j=В_j1/В_j2,

где В_j1, В_j2 – значения параметров качества бетона в различных направлениях.

Для определенности под параметром А_j будем понимать отношение между значениями параметров качества во взаимно перпендикулярных направлениях. Отсюда следует, что, например, коэффициент анизотропии прочности можно вычислить по формуле («точка» имеет размеры испытываемого образца)

А_R=R₁/R₂<1.

где R₁, R₂ - значения прочности во взаимно перпендикулярных направлениях (одно из направлений совпадает с осью Z).

Гидрофизические свойства проявляют материалы и изделия при контакте с водой. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, водонепроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.

Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности (при условии равной общей пористости и одинакового вещественного состава), следовательно, гигроскопичность выше. Этот процесс является обратимым и зависит от влажности воздуха. При снижении влажности часть гигроскопичной влаги испаряется.

В зависимости от вещественной природы материала гигроскопичность различна. Одни материалы притягивают к своей поверхности молекулы воды (острый угол смачивания) и называются гидрофильными – бетон, древесина, стекло, кирпич; другие, отталкивающие воду (тупой угол смачивания), – гидрофобными: битум, полимерные материалы.

Характеристикой гигроскопичности служит отношение массы влаги, поглощенной материалом из воздуха, к массе сухого материала, выраженное в %.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется это свойство количеством воды, поглощенной высушенным до постоянной массы материалом, полностью погруженным в воду, выраженным в % от массы (водопоглощение по массе) – W_м (СТБ 4.2306-94) или в % от объема (водопоглощение по объему или открытая пористость) – W_о

, (5)

Водопоглощение по объему рассчитывают по формуле (4). Этот показатель зависит от объема, природы пор (замкнутые, открытые) и степени гидрофильности материала. Так, водопоглощение гранита составляет 0,02 – 0,7 %, тяжелого бетона 2 – 4 %, кирпича 8 – 15 %. В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются средняя плотность и теплопроводность, объем изделий. Вследствие нарушения связей между частицами материала проникающими молекулами воды прочность его снижается.

Отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, R_в к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии R_с называется коэффициентом размягчения К_разм

<1 (6)

Этот коэффициент характеризует водостойкость материалов. Для глины, гипса К_разм=0, для металла, стекла – К_разм=1. Материалы с К_разм > 0,8 водостойки, с К_разм< 0,8 – не водостойки и применять их в конструкциях, испытывающих постоянное действие воды (фундаменты при наличии грунтовых вод, дамбы, плотины), согласно ГОСТу запрещено.

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идет высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдает воду быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и Т = 20 °С.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации К_ф (м²/ч), который равен количеству воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м² площади испытуемого материала при постоянном давлении. Особенно важно это свойство при строительстве гидротехнических сооружений (дамбы, плотины, молы, мосты), резервуаров, возведении стен подвалов при наличии грунтовых вод. Коэффициент фильтрации непосредственно связан обратной зависимостью с водонепроницаемостью материала, по которой ему присуждают марку. Чем ниже К_ф, тем выше марка по водонепроницаемости.

Водонепроницаемость (например, бетона) характеризуется маркой W2, W4...W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в МПа (0,2; 0,4 ... 1,2), при котором образец не пропускает воду в условиях стандартных испытаний. Испытания проводят на специальной установке.

Морозостойкость – способность материала сохранять свою прочность при многократном попеременном замораживании в водонасыщенном состоянии и оттаивании в воде. Для материалов, эксплуатируемых в условиях знакопеременных температур наружного воздуха, морозостойкость является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность (дорожные покрытия, бордюрные камни, стеновые материалы). Разрушение материалов при их замораживании в водонасыщенном состоянии связано с образованием в порах льда, объем которого примерно на 9 % больше объема замерзшей воды. Поэтому если все поры в материале будут заполнены водой, то разрушение должно было бы произойти после первого цикла замораживания. Способность материала противостоять морозному разрушению обусловлена, в первую очередь, присутствием в его структуре определенного объема замкнутых пор, в которые и отжимается часть воды под действием давления растущих кристаллов льда. Таким образом, главными факторами, определяющими морозостойкость материала, являются показатели структуры, от которых зависят степень насыщения водой и интенсивность образования льда в порах.

В строительстве морозостойкость материала количественно оценивают маркой F (СТБ 4.206-94), т.е. числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы материала без снижения прочности на 5– 25 % и массы на 3 – 5 % в зависимости от назначения материала.

Установлены следующие марки по морозостойкости: тяжелый бетон F50 – F500, легкий бетон F25 – F500, кирпич, стеновые керамические камни F15 – F35.

Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Природные и искусственные хрупкие каменные материалы (бетон, керамика), сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются вследствие возникновения растягивающих напряжений. В подобных условиях работают дорожные покрытия, надводные части гидротехнических сооружений.

К основным теплофизическим свойствам, оценивающим отношение материала к тепловым воздействиям, относятся теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость.

Теплопроводность – способность материала пропускать тепловой поток при условии разных температур поверхности. Степень теплопроводности материалов характеризует коэффициент, который равен количеству тепла, проходящего через стену из испытуемого материала толщиной 1 м площадью 1 м² за 1 ч при разности температур противоположных поверхностей стены 1 К. Коэффициент теплопроводности измеряют в Вт/(м×К) – СТБ 4.206-94

, (7)

где Q – количество тепла, Дж; d – толщина материала, м; А – площадь сечения, перпендикулярного направлению теплового потока, м²; (t₁ – t₂) – разность температур, К; Т – продолжительность прохождения тепла, ч.

Теплопередача в твердых диэлектриках (передача энергии связанных колебаний узлов решётки путем распространения упругих волн с разными частотами) может быть представлена как процесс распространения квазичастиц-фононов. Для плотных (П=0) органических материалов l= 0,15-0,35 Вт/(мК).

В общем случае качественная модель l пористого бетона при обычных условиях эксплуатации (давление 0,1 МПа) выглядит следующим образом:

l=f(r,P,W_э,Т,D_і,A_l)

где A_l- коэффициент анизотропии теплопроводности; P - параметры поровой структуры.

Для большинства материалов и веществ l=l₀(1+Dl^.W_э), где l₀ , – теплопроводность материала в сухом состоянии; Dl - коэффициент.

При 273К<Т<373 К выполняется соотношение

l_T=l₀[1+b(T-273)],

где l₀ , l_T– соответственно, теплопроводность материала при 273 К и температуре Т; b - коэффициент.

Теплопроводность материала зависит от вещественного состава, строения и характера пористости, температуры и влажности материала.

Особенности структуры оказывают значительное влияние на теплопроводность. Например, если материал имеет волокнистое строение, то тепло вдоль волокон передается быстрее, чем поперек. Так, теплопроводность древесины вдоль волокон равна 0,30, а поперек – 0,15 Вт/(м×К). Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые; материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, облегчающее перенос тепла.

Наличие воды в порах материала повышает его теплопроводность, так как вода имеет коэффициент 0,50 Вт/(м×К), а воздух – 0,02 Вт/( м×К). При замерзании влажных материалов коэффициент теплопроводности еще более повышается, потому что коэффициент теплопроводности льда равен 2, т.е. в 100 раз больше, чем у воздуха.

Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании определенное количество тепла. При охлаждении материалы выделяют тепло, причем тем больше, чем выше их теплоемкость. Коэффициент теплоемкости равен количеству тепла (Дж), необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 К

, (8)

где Q – количество тепла, кДж; т – масса материала, кг; (t₁ – t₂) – разность температур, К.

Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетон, кирпич, природные каменные материалы) изменяется в пределах 0,75–0,92 кДж/(кг×К), древесины – 0,7 кДж/(кг×К), вода имеет наибольшую теплоемкость – 4 кДж/(кг×К).

С повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Этот показатель имеет большое значение при проверке теплоотдачи стен и перекрытий, расчете подогрева материалов для зимних работ.

Если строительный материал состоит из нескольких составных частей (например, бетон или строительный раствор), то средневзвешенный коэффициент теплоемкости такого материала рассчитывают по формуле теплоемкости смеси

, (9)

где p – весовые части составляющих материалов; С – коэффициенты их теплоемкости.

Термостойкость – способность материала выдерживать без разрушений определенное количество резких колебаний температуры. Единицей измерения этого свойства является количество теплосмен, определяемое для многих теплоизоляционных и огнеупорных материалов.

Жаростойкость – способность материала выдерживать температуру эксплуатации до 1000 °С без нарушения сплошности и потери прочности.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур без деформаций и разрушения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, работающие без снижения свойств при температуре свыше 1580 °С, тугоплавкие – 1580 – 1350 °С и легкоплавкие – ниже 1350 °С. К этим материалам специального назначения относятся шамотные (обожженная глина), динасовые (состоящие в основном из оксида кремния) и высокоглиноземистые (содержащие преимущественно оксид алюминия), которые применяют в виде мелкоштучных кирпичей для внутренней футеровки промышленных тепловых агрегатов (доменные, сталеплавильные, стекловаренные печи, автоклавы и т.д.).

Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Ко всем материалам, используемым в строительстве, и особенно к тем, из которых выполняют несущие конструкции: стены, колонны, перекрытия, – предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания и сооружения по пожаробезопасности, определяемой СниПом, СНБ. Для оценки огнестойкости введен показатель возгораемости, основанный на трех признаках предельного состояния: потере несущей способности (снижение прочности и увеличение деформаций), теплоизолирующих свойств и сплошности. Предел огнестойкости конструкций и материалов характеризуется временем (ч) с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния.

По возгораемости строительные материалы подразделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

К несгораемым относят бетон, кирпич, сталь, природные каменные материалы.

Трудносгораемые – материалы, которые под действием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (фибролит, состоящий из древесных стружек и цементного камня, асфальтобетон, некоторые полимерные материалы).

Сгораемые – материалы, которые при контакте с огнем загораются и горят открытым пламенем даже в случае ликвидации источника огня (древесина, битум, полимерные материалы).

При действии звука на материал проявляются его акустические свойства. По назначению акустические материалы делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирующие, виброизолирующие и вибропоглощающие.

Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Основной акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству падающей на поверхность материала в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звукопоглощения больше 0,2. Эти материалы обладают открытой пористостью или имеют шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук.

Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Оценку эффективности звукоизоляционных материалов проводят по двум основным показателям: динамическому модулю упругости и относительной сжимаемости (%) под нагрузкой.

Звукоизолирующая способность – один из параметров оптимизации наружных и внутренних ограждающих конструкций. Звукоизолирующая способность зависит от природы материала и конструктивного решения, например, стены или перегородки. Для однослойной конструкции звукоизолирующие свойства зависят от массы единицы площади поверхности.

Известно, что при толщине стены (перегородки) из ячеистого бетона 100 мм и r=500-800 кг/м³ индекс изоляции воздушного шума (R_w) составляет R_w=32-38 дБ (нормативные значения для перегородок – R_w=43 дБ, для межквартирных стен – R_w=52 дБ). Отсюда следует, что распространенное применение блоков толщиной около 100 мм из ГАТ для устройства перегородок не дает ожидаемого эффекта, т.к. звукоизолирующие свойства таких перегородок неудовлетворительны.

С увеличением толщины стен и с повышением плотности бетона повышается и звукоизолирующая способность ячеистого бетона. При r=800 кг/м³ и толщине стены 200 мм R_w=45 дБ.

Для устройства межквартирных стен или перегородок следует использовать двух- или многослойную конструкцию с воздушной прослойкой или с заполнением воздушного зазора пористым материалом. Наличие плотных штукатурных слоев также повышает звукоизолирующую способность конструкций.

Двуслойные конструкции (с воздушным промежутком до 50 мм) межквартирных стен, например, из ячеистых бетонов достаточно трудоемки и сложны в исполнении.

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы предназначены для устранения передачи вибрации от машин и механизмов на строительные конструкции зданий.