Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Будівельні матеріали мають комплекс фізичних властивостей, т. Е. Здатністю реагувати на вплив фізичних факторів - гравітаційних, теплових, водного середовища, акустичних, електричних, випромінювання (ядерного, рентгенівського і ін.). Нижче розглянуті деякі властивості, методи і прилади для їх оцінки в числових показниках.

Середня щільність характеризує масу одиниці об'єму матеріалу в природному стані (разом з порами). Ця важлива фізична характеристика визначається шляхом ділення маси т зразка на його обсяг vo і виражається ро = mlvo в г / см 3 , кг / м 3 або кг / дм 3 . Для точного вимірювання об'єму зручніше приймати зразки правильної геометричної форми, хоча є нескладні прийоми вимірювання об'єму зразків і неправильної форми. При вологих зразках відзначається величина вологості, при якій визначалася середня щільність.

Середню щільність пухких матеріалів, наприклад, піску, щебеню, гравію, називають насипною щільністю. В її величині відбивається вплив не тільки пір в кожному зерні або шматку, але і міжзернових порожнин в пухкому висипаному обсязі матеріалу.

Справжня щільність - маса одиниці об'єму однорідного матеріалу в абсолютно щільному стані, т. Е. Без урахування часу, тріщин або інших порожнин, властивих матеріалу в його звичайному стані. Визначається як відношення маси т матеріалу, вираженої в г або кг, до обсягу v його в абсолютно щільному стані: р = m / v. Розмірність істинної щільності г / см 3 , кг / м 3 .

Величина р, як правило, більше ро, так як переважна кількість матеріалів містять пори, тріщини, каверни.

Пористість - ступінь заповнення обсягу матеріалу порами: визначають її за формулою

Якщо потрібно з'ясувати, чи є пори замкнутими або наскрізними, як розподілені вони в обсязі матеріалу за своїми розмірами, яке є реальне співвідношення пір різних діаметрів, тоді виробляють додаткові дослідження із застосуванням спеціальних методів: сорбційної, ртутної порометрії, капілярного всмоктування і ін.

Величина пористості і розмір пор в значній мірі впливають на міцність матеріалу. При одному і тому ж речовині будівельний матеріал тим слабкіше пручається механічним силам, зусиллям іншого походження (тепловим, усадочних і ін.), Що більше часу в його обсязі. Для деяких різновидів матеріалів існують яскраво виражені залежності. Так, наприклад, чим менше середня щільність (більше пористість), тим менше міцність матеріалу. У найзагальнішому вигляді залежність міцності від пористості виражена формулою: R " = Ло (1-АП), де R" н Ro - міцності відповідно пористого і безпористого матеріалу; А - коефіцієнт структури, що відображає її пористість; П - загальна пористість матеріалу (речовини) в частках одиниці. Найменше значення коефіцієнта А = 1,0-1,1 відповідає оптимальним структурам з вмістом пір П до 0,02-0,03. Формула показує можливість наближення значень R n і Ro шляхом зміни структури матеріалу (речовини).

Відомі численні емпіричні формули, отримані з досвідчених даних стосовно до різних матеріалів, в тій чи іншій мірі відтворюють зазначену вище залежність R n = ДП). Досвідчені дані показують, що при збільшенні пористості від нуля до 20% міцність знижується майже лінійно. Втім, можливі й "аномалії", особливо серед випалювальних ІБК, коли міцність підвищується з підвищенням пористості, наприклад, при випалюванні шпінслідних вогнетривів.

Від пористості залежать і інші якісні характеристики, наприклад, здатність проводити теплоту і звук, поглинати воду. Від часу відрізняються порожнини в структурі, іменовані порожнечами. Вони значно більші пір, чітко видно і розташовані між зернами насипного матеріалу. На відміну від часу вода в порожнинах, особливо в широкосмугового, не затримується.

На величину міцності впливають і розміри пір. Вона зростає зі зменшенням розміру пор. Дрібнозернисті матеріали і, отже, дрібнопористі, мають підвищену міцність в порівнянні з крупнозернистими. При цьому в меншій мірі знижують міцність закриті пори, а не відкриті, наскрізні, зазвичай за своєю формою загострені. Має значення і місце розташування пір. У великих зернах заповнювача вони для міцності менш небезпечні в порівнянні з порами в в'язкої, матричної частини конгломерату або розташованими в прикордонних зонах, нерідко іменуються як структурні пори матеріалу. Міцність залежить також від міцності сполучною фази і межфазовой адгезії.

При впливі статичних або циклічних теплових чинників матеріал характеризується теплопровідністю, теплоємністю, температуроустойчивости, вогнестійкістю та іншими теплофізичними властивостями.

Теплопровідність - здатність матеріалу проводити через свою товщу тепловий потік, що виникає під впливом різниці температур на поверхнях, що обмежують матеріал. Це властивість характеризується теплопровідністю X, яка показує кількість теплоти, що проходить через плоску стінку товщиною 1 м і площею 1 м 2 при перепаді температур на протилежних поверхнях в ГС протягом 1 ч. Величина X має розмірність Вт / (м К) і може служити переконливим порівняльною характеристикою при оцінці теплозахисних властивостей різних ізотропних матеріалів в одновимірному температурному полі. Вона залежить, головним чином, від пористості матеріалу: що міститься в порах повітря, особливо в замкнутих порах, є малотеплопроводнимі середовищем. Повітря при атмосферному тиску і температурі + 20 ° С має теплопровідність X = 0,023 Вт / (м К), а при температурі + 100 ° С - 0,0306 Вт / (м К), при 1000 ° С - 0,0788 Вт / (м К).

З підвищенням температури теплопровідність більшості будівельних матеріалів збільшується, що пояснюється підвищенням кінематичної енергії молекул, що складають речовина матеріалу: X, = Хо (1 + р £), де Х, Ихо - теплопровідність відповідно при температурах t і 0 ° С; р - температурний коефіцієнт, який показує величину приросту коефіцієнта теплопровідності матеріалу при підвищенні температури на 1 ° С; t - температура матеріалу, ° С. Ця формула справедлива тільки при

температурах не вище t = 100 ° С; при більш високих значеннях t величину X, визначають дослідним шляхом.

З зволоженням теплопровідність матеріалу зростає, так як теплопровідність води при 20 ° С дорівнює 0,590 Вт / (м К), а при 100 ° С - 0,656 Вт / (м К). Якщо в порах вода замерзає, то теплопровідність матеріалу ще більше збільшується, оскільки лід має X = 2,1, т. Е. В 4 рази більше, ніж вода. У довідковій літературі наводяться значення X різних будівельних матеріалів в сухому стані при 20 ° С; вони використовуються при теплових розрахунках і для вирішення практичних завдань. Як приклади слід зазначити, що граніт має теплопровідність 3,2-3,5, а цеглу керамічну 0,80-0,85; бетон важкий - 1,0-1,5; мінеральна вата, вживана як утеплювач, - 0,06-0,09; мипора - 0,04 0,05 Вт / (м К) і т. д. Слід зазначити, що згадані матеріали є гетерогенними системами і в їх відношенні зручніше для практики кваліфікувати так звану ефективну теплопровідність. Вона складається з процесів передачі теплоти через конденсовані (тверді) фази, пори (гази) і кордони пір з твердою речовиною. Ефективна теплопровідність твердих тіл дорівнює сумі цих процесів, які визначаються експериментально.

Теплоємність характеризує здатність матеріалу акумулювати теплоту при нагріванні, причому з підвищенням теплоємності більше може виділятися теплоти при охолодженні матеріалу. Температура в кімнаті, наприклад, може зберігатися стійкою більш тривалий період при підвищеній теплоємності використаних матеріалів для підлоги, стін, перегородок та інших частин приміщення, поглинаючих теплоту в період дії опалювальної системи. Це властивість матеріалу оцінюється за допомогою так званої питомої теплоємності, яка показує кількість теплоти, необхідне для нагрівання 1 кг матеріалу на 1 ° С. Розрізняють справжню теплоємність при даній температурі і середню - в інтервалі температур. Питому теплоємність С інакше називають коефіцієнтом теплоємності і чисельно визначають з виразу

де Q - кількість теплоти, витрачений на нагрівання матеріалу; т - маса матеріалу, кг; ti-t - різниця температур матеріалу до і після нагрівання, ° С. Її розмірність Дж / (кг-К).

Коефіцієнт теплоємності води дорівнює 4,2-10 3 Дж / (КГК). Будівельні матеріали в сухому стані мають більш низькі значення цього коефіцієнта, наприклад, кам'яні матеріали (природні або штучні) - від 0,75-10 3 до 0,94 10 3 , лісові матеріали - від 2,42-10 3 до 2,75 1 0 3 Дж / (КГК), сталь - 0,50-10 3 Дж / (КГК) і т. п. з зволоженням матеріалу коефіцієнти теплоємності зростають, разом з тим зростають і значення теплопровідності. Іноді потрібно знати величину питомої об'ємної теплоємності, наприклад, при розрахунку розмірів печі. Під цією характеристикою розуміється кількість теплоти, необхідне для нагрівання 1 м 3 матеріалу на 1 ° С.

Показники теплопровідності і теплоємності дозволяють визначати величину так званого коефіцієнта теплозасвоєння, що характеризує здатність матеріалу сприймати теплоту при коливаннях температури навколишнього середовища. У формулу для підрахунку коефіцієнта теплозасвоєння крім згаданих двох теплофізичних значень входять також величини середньої щільності і періоду коливання температури.

Вогнестійкість характеризує здатність будівельних матеріалів витримувати без руйнування дію високих температур протягом порівняно короткого проміжку часу (пожежі). Залежно від ступеня вогнестійкості будівельні матеріали поділяють на вогнетривкі, вогнестійкими і спаленні. Вогнетривкі матеріали в умовах високих температур не схильні до займання, тління або обвуглювання. При цьому деякі матеріали майже не деформуються (цегла, черепиця), інші можуть сильно деформуватися (сталь) або руйнуватися, розтріскуватися (природні камені, наприклад, граніт), особливо при одночасному впливі води, яка застосовується під час гасіння пожеж. Важкозгораємі матеріали під впливом високих температур тліють і обвуглюються, але при видаленні вогню процеси горіння, тління або обвуглювання повністю припиняються. До таких матеріалів відносяться фибролит, гідроізол, асфальтовий бетон і ін. Спаленні матеріали спалахують і горять або тліють під впливом вогню або високої температури, причому горіння або тління триває також після видалення джерела вогню. Серед них - деревина, повсть, бітуми, смоли і ін.

Якщо джерело високої температури (вище 1580 ° С) діє на матеріал протягом тривалого періоду часу (зіткнення з печами, трубами, нагрівальними котлами і т. П.), А матеріал зберігає необхідні технічні властивості і не розм'якшується, то його відносять до вогнетривким. Вогнетривкими є шамот, динас, магнезитовий цегла та інші матеріали, що застосовуються для внутрішньої футеровки (облицювання) металургійних і промислових печей.

Матеріали, здатні тривалий час витримувати вплив високих температур (до 1000 ° С) без втрати або тільки з частковою втратою міцності, відносять до жаростійким, наприклад, жаростійкий бетон, керамічна цегла, вогнетривкі матеріали і ін.

Температуростойкост' або термостійкість - здатність витримувати чергування (цикли) різких теплових змін, нерідко з переходом від високих позитивних до низьких негативних температур. Це властивість матеріалу залежить від ступеня його однорідності і здатності кожного компонента до теплових розширень. Остання характеризується коефіцієнтом теплового розширення - лінійним або об'ємним. Лінійний коефіцієнт показує подовження 1 м матеріалу при нагріванні його на 1 ° С, а об'ємний характеризує збільшення обсягу 1 м 3 матеріалу при нагріванні його на 1 ° С. Чим менше ці коефіцієнти і вище однорідність матеріалу, тим вище температуростойкость, більшу кількість циклів різких змін температури матеріал може витримати без порушення цілісності. Для цементного бетону лінійний коефіцієнт теплового розширення дорівнює (10-14) -10- *, для деревини уздовж волокон (3-5) -10 "*, для сталі (11-12) 10 *. Термічне розширення є пружним, і воно повністюоборотно. в основі можливого руйнування структури лежать явища, під впливом яких в матеріалі виникають напруги. Вони виникають або внаслідок градієнта температур, або під впливом изотропии теплового коефіцієнта лінійного розширення. в обох випадках виникнення і розвиток напружень пов'язано з відсутністю умов для вільного зміни обсягу матеріалу в елементах конструкції.

Ставлення матеріалу до статичних або циклічним діям води або пари характеризується величинами водопоглощаемости, гігроскопічність, водопроникності, паропроникності, водостійкості. Ці важливі фізичні властивості враховують при роботі матеріалів в умовах впливу водно-парової середовища.

Водопоглощаемость - здатність матеріалу вбирати і утримувати воду. Процес вбирання води в пори називається водопоглинанням і в лабораторних умовах проходить при нормальному атмосферному тиску. Зразок поступово занурюють у воду або повного водопоглинання досягають кип'ятінням його у воді, якщо температура 100 ° С не впливає на склад і структуру матеріалу. Витримують зразки у воді протягом певного терміну або до постійної маси.

Величина водопоглощаемости [1] визначається за масою: В = (М2 - Л / і) 100 / Л / і,%, або за обсягом: У = (М2 - Л / і) - 100 / v, де М - маса до водопоглинання; М2 - маса після водопоглинання; v - обсяг зразка. Водопоглощаемость менше пористості, так як не всі пори заповнюються водою і утримують її.

Схожа величина водонасищаемості визначається після насичення матеріалу (зразка) водою під тиском 0,2-0,3 МПа або 0,1 МПа за умови, що в порах був попередньо створений вакуум за допомогою спеціального вакуум-насоса. Водонасищаемость завжди більше водопоглощаемости, так як при примусовому просяканні під тиском заповнюються не тільки великі, а й тонкі пори і капіляри, недоступні воді при звичайному процесі водопоглинання.

Гігроскопічність називається здатність матеріалу поглинати вологу з вологого повітря або парогазової суміші. Ступінь поглинання води або пари, які частково конденсуються в порах і капілярах матеріалу, залежить від відносної вологості і температури повітря, парціального тиску суміші. Зі збільшенням відносної вологості і зі зниженням температури повітря гігроскопічність підвищується.

За характеристику гігроскопічності прийнята величина відношення маси поглиненої вологи при відносній вологості повітря 100% і температурі + 20 ° С до маси сухого матеріалу.

Вологовіддачею називають здатність матеріалу віддавати вологу в навколишнє середовище. Вона вимірюється кількістю води, яке матеріал втрачає на добу при відносній вологості повітря 60 % і температурі + 20 ° С. Волога, що знаходиться в тонких порах і капілярах, утримується досить міцно, особливо адсорбційно-плівкова волога, що сприяє прискореному пересуванню поглинається води по сполучених порам в матеріалі. Якщо між вологістю навколишнього середовища повітря і вологістю матеріалу встановлюється рівновага, то відсутні гігроскопічність і вологовіддача, а стан прийнято називати повітряно-сухим.

Водопроникність - здатність матеріалу пропускати через себе воду під тиском. Характеристикою водопроникності служить кількість води, що минув протягом 1 год через 1 см 2 поверхні матеріалу при заданому тиску води. Іноді вона також характеризується періодом часу, після закінчення якого з'являються перші ознаки просочування води під певним тиском через зразок випробуваного матеріалу. Тиск води встановлюється стандартом в залежності від виду матеріалу.

Паро- та газопроникність оцінюється за допомогою особливих коефіцієнтів, подібних між собою. Вони дорівнюють кількості водяної пари (або повітря), яке проходить через шар матеріалу товщиною 1 м, площею 1 м 2 протягом 1 год при різниці тисків 10 Па.

Водостійкість - здатність матеріалу зберігати в тій чи іншій мерс свої властивості міцності при зволоженні. Числовою характеристикою водостійкості служить відношення межі міцності при стисненні матеріалу в насиченому водою стані (/? ") До межі міцності при стисненні У сухому СТАНІ (Лсух). Це відношення прийнято називати коефіцієнтом розм'якшення рз . М ). До водостійким відносяться будівельні матеріали, коефіцієнт розм'якшення яких більше 0,8, наприклад, граніт, бетон, азбестоцемент і ін. Ці матеріали можна застосовувати в сирих місцях без спеціальних заходів щодо захисту їх від зволоження. На стабільність структури і властивостей матеріалу помітний вплив робить почергове зволоження і висихання. Деякі матеріали прийнято перевіряти на водостійкість шляхом циклічного насичення зразків водою і їх висушування.

У жорстких умовах знаходиться той матеріал, який зволожується при різких температурних перепадах. Вода, поглинена матеріалом, особливо порами в поверхневому шарі, замерзає при переході через нульову температуру з розширенням на 8,5%. Ритмічно чергується кристалізація льоду в порах з подальшим розморожуванням призводить до додаткових внутрішнім напруженням. Можуть виникнути мікро- і макротріщини зі зниженням міцності, з можливим руйнуванням структури. Здатність матеріалу, насиченого водою, витримувати багатократне поперемінне (циклічне) заморожування і відтавання без значних технічних пошкоджень і погіршення властивостей, називається морозостійкістю. Встановлено нормативні межі допустимого зниження міцності або зменшення маси зразків після випробування матеріалу на морозостійкість при певній кількості циклів заморожування і відтавання. Деякі матеріали, наприклад, бетон, маркують по морозостійкості в залежності від кількості циклів випробування, які вони витримують без видимих ознак руйнування. Зазвичай зразки, насичені водою, заморожують в спеціальних морозильних камерах при температурі -17 ° С, а відтавання організують у воді, що має кімнатну температуру. Тривалість одного циклу складає одну добу. Багато матеріалів витримують 200-300 і більше циклів. Можуть застосовуватися і прискорені методи випробування на морозостійкість. Зокрема, до них відноситься випробування на збереження в сольових розчинах при чергується кристалізації солі в порах матеріалу. Відносно деяких матеріалів, наприклад, природного каменю, про морозостійкості судять за величиною коефіцієнта розм'якшення. Прийнято вважати, що якщо коефіцієнт розм'якшення не нижче 0,9, то даний матеріал володіє достатньою морозостійкістю.

До фізичних властивостей відносяться також звукопоглощаемость, поглощаемость ядерних випромінювань і рентгенівських променів, електропровідність, світлопроникність і ін. За допомогою випробування відповідних зразків визначають числові характеристики цих властивостей матеріалу і порівнюють з допустимими за нормами.

  • [1] Нерідко величину водопоглощаемости називають водопоглинанням, хоча цей термін характеризує процес поглинання води матеріалом і нс відноситься до властивості матеріалу.
 
<<   ЗМІСТ   >>