1.2. Физические свойства

Данную группу свойств составляют, во-первых, параметры физического состояния материалов и, во-вторых, свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. К первым относят плотность и пористость материала, степень измельчения порошков, ко вторым — гидрофизические свойства (водопоглощение, влажность, водопроницаемость, водостойкость, морозостойкость), теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, температурное расширение) и некоторые другие.

Истинная плотность р_и — масса единицы объема абсолютно плотного материала, т.е. без пор и пустот. Вычисляется она в кг/м³, кг/дм³, г/см ³ по формуле:

где m — масса материала, кг, г; V_а — объем материала в плотном состоянии, м³, дм³, см³.

Истинная плотность каждого материала — постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Так, у неорганических материалов, природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность находится в пределах 2400–3100 кг/м³, у органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, она составляет 800–1400 кг/м³, у древесины — 1550 кг/м³. Истинная плотность металлов колеблется в широком диапазоне: алюминия — 2700 кг/м³, стали — 7850, свинца — 11300 кг/м³.

Средняя плотность р_с — масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в ГОСТ. Среднюю плотность (в кг/м³, кг/дм³, г/см³) вычисляют по формуле:

где m — масса материала, кг, г; V_е — объем материала, м³, дм³, см³.

Среднюю плотность сыпучих материалов — щебня, гравия, песка, цемента и др. — называют насыпной плотностью. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.

Средняя плотность большинства материалов обычно меньше их истинной плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.

Относительная плотность d — отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4^oС, имеющая плотность 1000 кг/м³. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле:

Пористость П — степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в % по формуле:

где P_с , P_и — средняя и истинная плотности материала.

Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость). Истинная, средняя плотности и пористость материалов — взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в табл. 1.1.

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_с — масса влажного и сухого материалов, г.

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

КРАЗМ= RВ / RСУХ.

Для разных материалов КРАЗМ = 0…1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее КРАЗМ = 0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них КРАЗМ = 1. Строительные материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде.

Таблица 1.1

Физические свойства материалов

Наименование	Плотность, г/см3		Пористость, %	Теплопроводность, Вт / (м · °С)
	истинная	средняя
Гранит	2,70	2,50	7,4	2,80
Вулканический туф	2,70	1,40	52,0	0,50
Керамический кирпич:
– обыкновенный	2,65	1,80	32,0	0,80
– пустотелый	2,65	1,30	51,0	0,55
Бетон:
– тяжелый	2,60	2,40	10,0	1,16
– легкий	2,60	1,00	61,5	0,35
– ячеистый	2,60	0,50	81,0	0,20
Сосна	1,53	0,50	67,0	0,17
Минераловатные плиты	2,70	0,05	98.0	0,047
Пенополистирол	1,05	0,04	96,0	0,03

Гигроскопичность — способность материала поглощать воду из окружающего воздуха. Она выражается в процентах как отношение массы поглощенной материалом воды из воздуха к массе сухого материала при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 ^oС.

Гигроскопичность зависит от природы материалов. Одни из них, например древесина, активно притягивают молекулы воды. Их называют гидрофильными. Другие же, например битум, не смачиваются водой. Их называют гидрофобными. Придание материалу гидрофобных свойств улучшает его свойства.

Влагоотдача — способность материала отдавать воду в окружающий воздух. Она характеризуется скоростью высыхания, которая определяется количеством воды, отдаваемой материалом в сутки, при относительной влажности воздуха 60% и температуре 20 ^oС.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. 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 W_О, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к объему образца.

Их определяют по следующим формулам:

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 P_c — средняя плотность материала, кг/м³.

Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой.

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

Воздухостойкость — способность материала не изменять длительное время свои свойства при периодическом гигроскопическом увлажнении и высыхании. Изменение влажности приводит к разбуханию и усадке материала и со временем — к его разрушению. Воздухостойкость гигроскопичных материалов повышают гидрофобизацией их поверхности, введением гидрофобных добавок при изготовлении.

Капиллярное увлажнение и диффузия. Капиллярное увлажнение возникает в результате способности воды подниматься по капиллярам на высоту. Высота подъема зависит от тонкости капилляров и степени смачиваемости их стенок. Для кирпичной кладки она может быть более метра.

В материалах возможна диффузия воды, которая передвигается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью и равномерно распределяется по всему объему.

Для защиты от капиллярного увлажнения и диффузии воды конструкции защищают гидроизоляционными материалами. Например, между фундаментом здания и стеной устраивают гидроизоляцию.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации КФ, м/ч, который равен количеству воды VВ в м³, проходящей через материал площадью S = 1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1 ч, при разности гидростатического давления Р₁ – Р₂ = 1 м водного столба:

КФ = VВa / [S (P₁ – P₂) t].

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

Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров для воды.

Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяной пар через свою толщину. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости m, г/(м·ч·Па), который равен количеству водяного пара V в м³, проходящего через материал толщиною a = 1 м, площадью S = 1 м² за время t = 1 ч, при разности парциальных давлений Р₁ – Р₂ = 133,3 Па:

m = Vа / [S (P₁ – Р₂) t].

Стены и покрытия в помещениях с повышенной влажностью следует защищать от проникновения водяного пара.

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.

Теплопроводность — способность материалов проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность зависит от коэффициента теплопроводности l, Вт/(м·^oС), который равен количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной d = 1 м, площадью S = 1 м²за время t = 1 ч, при разности температур между поверхностями t₂ – t₁ = 1^oС:

Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор, влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность оказывает средняя плотность материалов. При известной средней плотности, пользуясь нижеприведенной формулой, можно ориентировочно вычислить коэффициент теплопроводности l Вт/(м·^oС), материала в воздушно-сухом состоянии:

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/(м·^oС), а воздуха 0,023 Вт/(м·^oС), т.е. превышает его в 25 раз. Коэффициенты теплопроводности отдельных материалов приведены в табл. 1.1.

Теплоемкость — способность материалов поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг·^oС), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t₂ – t₁ = 1^oС:

с = Q / [m (t₂ – t₁)].

Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755–925, лесных — 2420–2750 Дж/(кг·^oС). Наибольшую теплоемкость имеет вода — 4900 Дж/(кг·^oС).

Теплоемкость учитывается при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.

Огнестойкость — способность материалов не разрушаться от действия высоких температур и воды в условиях пожара.

По огнестойкости материалы подразделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы не горят, не тлеют и не обугливаются. Это каменные материалы, металлы.

Трудносгораемые материалы обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются. При удалении источника огня или высокой температуры эти процессы прекращаются. Это древесина, пропитанная антипиренами.

Сгораемые материалы горят или тлеют. При удалении источника огня или высокой температуры горение и тление продолжаются. К ним относят все незащищенные органические материалы.

Огнеупорность — способность материалов выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подразделяют на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживает температуру 1580 ^oС и выше, тугоплавкие — 1350–1580 ^oС, легкоплавкие — менее 1350 ^oС.

Радиационная стойкость и защитные свойства материалов. Радиационная стойкость — способность материала сохранять свою структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений. Под влиянием излучений в материале могут произойти глубокие изменения — переход от кристаллического состояния в аморфное.

Защитные свойства материалов определяются их способностью задерживать гамма- и нейтронное излучения. Они оцениваются по толщине слоя материала, который ослабляет величину ионизирующего излучения в два раза. Толщина слоя половинного ослабления излучений Т1/2 составляет для бетона 0,1 м, для свинца 0,18 м.

Для защиты от гамма-излучения применяют материалы повышенной плотности — особо тяжелые бетоны, свинец, грунт, от нейтронного излучения — вода и материалы, содержащие связанную воду, — лимонитовая руда, бетоны с добавками бора, кадмия, лития.