2. Основные свойства строительных материалов. Параметры состояния и структурные характеристики

Истинная плотность ρ (прежнее название – удельный вес) – отношение массы материала к его объему в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Определяют по формуле

ρ = m / V_а,

где m – масса материала, V_а – абсолютный объем, занимаемый материалом (без пор и пустот).

Истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал,—это физическая константа вещества. Средняя плотностьρ_о (прежнее название – объемная масса) – отношение массы материала к его объему в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Определяется по формуле

ρ_о = m / V_е,

где m – масса материала; V_е – объем материала в естественном состоянии.

Средняя плотность металла и стекла практически равна их истинной плотности, у большинства строительных материалов она, как правило, меньше (из-за наличия пор).

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

Пористость — степень заполнения объема материала порами, % Обычно пористость рассчитывают исходя из средней и истинной плотности материала: П=[1 – ρ_о/ ρ]100

где ρ_о, ρ — средняя и истинная плотности материала.

Открытая пористость По — поры сообщаются с окружающей средой и между собой, заполняются водой при обычных условиях насыщения (погружении в ванну с водой). Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала, снижают морозостойкость.

Закрытая пористость Пз=П-По. Увеличение закрытой пористости повышает долговечность материала, снижает звукопоглощение.

Пористый материал содержит и открытые, и закрытые поры

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90...98 %. Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 98 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляет собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду. Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

3. Гидрофизические свойства материалов

Влажность W — содержание воды в материале в данный момент. Она определяется отношением воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется в % по формуле:

где m_вл, m_c, — масса влажного и сухого материалов, г.

Материалы во влажном состоянии изменяют свои свойства. Увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность.

Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой: Она оценивается коэффициентом размягчения К_РАЗМ, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии R_В МПа, к пределу прочности сухого материала R_сух, МПа:

Для разных материалов К_РАЗМ = 0...1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее К_РАЗМ = 0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них К_РАЗМ = 1 . Строительные материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде. Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Их применяют в конструкциях, находящихся в воде, и в местах с повышенной влажностью.

Гигроскопичность — способность материала поглощать воду из окружающего воздуха.

Гигроскопичность зависит от природы материалов. Одни из них, например древесина, активно притягивают молекулы воды. Другие же, например битум, не смачиваются водой.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. Оно подразделяется на Водопоглощение по массе и объему.

Водопоглощение по массе W_м, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему W₀, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к объему образца.W= х100

где m_в — масса образца, насыщенного водой, г; m_с — масса образца, высушенного до постоянной массы, г; V — объем образца, см³.

Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость:

где ρ_с — средняя плотность материала, кг/м³

Водопоглощениепо объему всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой, а по массе может быть более 100%, например у теплоизоляционных материалов. Насыщение материала водой ухудшает его основные свойства, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, уменьшает прочность.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, м/ч. Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров для воды.

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду под давлением.

Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяной пар через свою толщину. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости.

Морозостойкость — способность материала в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9%. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения пор водой.

4. Теплофизические свойства материалов Теплопроводность — способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная. Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но во всех случаях она во много раз превышает теплопроводность воздуха — 0,023 Вт/(м • К). Поэтому, чем больше в материале пор (т. е. чем больше в нем воздуха), тем ниже будет его теплопроводность.

Теплоемкость — способность материала поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Тепловое расширение — свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении — характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используют коэффициент линейного температурного расширения. Огнестойкость — способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы.

Огнеупорность — способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения.

5. Механические свойства материалов характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил. Механическими свойствами являются прочность. упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость. ..

Упругость — свойство материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после после прекращения действия внешней силы(резину).

Пластичность — свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причём после прекращения действия внешних сил тело не может самопроизвольно восстанавливать форму и размер(глиняное тесто, разогретый асфальт).

Остаточная деформация — пластичная деформация.

Относительная деформация — отношение абсолютной деформации к начальному линейному размеру(ε=Δl/l).

Модуль упругости — отношения напряжения к отн. деформации (Е=σ/ε).

Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил при незначительных деформациях (например, стекло, керамика).

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или др. Прочность оценивают пределом прочности — временным сопротивлением R, определённом при данном виде деформации. Предел прочности при сжатии или при растяжении (Па) равен отношению разрушающей силы (Н) к площади поперечного сечения (м2) образца, подвергающегося испытанию. При определении предела прочности при сжатии испытывают стандартные образцы на гидравлическом прессе до их разрушения. Образцами служат кубы (растворные—7,07 X 7,07 XХ7,07 см, бетонные—15Х15Х15 см и других размеров), цилиндры, призмы. При испытании материалов на растяжение используют образцы в виде восьмерки, призмы, стержня. Образцы испытывают до разрушения на разрывных машинах. Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца материала в виде балочки (призмы), кирпича (в натуре) на двух опорах. Их испытывают на прессе до разрушения (излома), нагружая одной или двумя сосредоточенными силами.Для хрупких (кирпич, бетон) основная прочностная характеристика — предел прочности при сжатии. Для металлов, стали — прочность при сжатии такая же, как и при растяжении и изгибе.Так как строительные материалы неоднородны, предел прочности определяют как средний результат серии образцов. На результаты испытаний влияют форма, размеры образцов, состояния опорных поверхностей, скорость нагружения.По прочности материалы делятся на марки и классы. Марки записываются в кгс/см², а классы — в МПа.

Коэффициент конструктивного качества: ККК=R/γ(прочность на относит.плотность), Твёрдость — показатель, характеризующий свойство материалов сопротивляться проникновению в него другого, более плотного материала. Шкала Мооса: тальк (1), наибольшая — алмаз (10).

Истирание — способность материала уменьшаться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременно воздействию истирающих и ударных нагрузок.Необходимо учитывать при подборе материалов для дорожных покрытий, полов промышленных зданий, для ступеней, лестниц, бункеров.

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Важно для материалов полов, лестниц, дорожных покрытий, фундаментов машин, бункеров и т. п.

6. Химические и технологические свойства материалов

Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с веществами внешней среды, в которой он находится, или сохранять свой состав и структуру в условиях инертной окружающей среды.(твердение, старение, контракция, стойкость против гниения, горючесть, температура размягчения, скорость отверждения).

Технологические свойства — способность материала подвергаться обработке при изготовлении из него изделий.