1.5. Функциональные (эксплуатационно-технические и технологические) свойства
А. Физические свойства
Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов.
Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью и пористостью.
Истинная плотность ρ (кг/м3; г/см3) — масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор и пустот.
Истинная плотность каждого вещества — постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как, например, средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры.
Истинную плотность находят по формуле:
ρ = m/Va, (1.1)
где m — масса материала, г; Va — объем в абсолютно плотном состоянии (без пор), см3;
Va=V—Vn; V — объем материала в естественном состоянии; Vп — объем заключающихся в нем пор.
Стандартный метод определения истинной плотности предусматривает измельчение материала в порошок и определение Vа с помощью объемометра Ле-Шателье или пикнометра по величине объема вытесненной жидкости известной массой этого порошка.
Объем пор в материале Vn можно определить экспериментально по объему жидкости (воды, керосина), заполнившей поровое пространство материала при его насыщении под вакуумом. При точных измерениях объема пор используют сжиженный гелий или ртуть, которые способны проникать в тонкие поры материала.
Большинство строительных материалов имеют поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и др.) истинная и средняя плотности практически равны, так как объем внутренних пор у них ничтожно мал.
Средняя плотность ρо (г/см3) — масса единицы объема материала в естественном виде (вместе с порами и пустотами)
ρо=m/V, (1.2)
где m — масса образца материала, г; V— объем образца в естественном виде, см3.
По величине средней плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между средней плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов — между прочностью и средней плотностью. Средняя плотность материала является нужной характеристикой при расчете прочности сооружения с учетом собственной массы, для определения способа и стоимости перевозки материала, для расчета складов и подъемно-транспортного оборудования.
При изменении температуры и влажности среды, окружающей материал, меняются его влажность, а, следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель плотности определяют после предварительной просушки материала до постоянной массы или вычисляют по формуле:
ρо = ρоb/(1 + w), (1.3)
где w — количество воды в материале (доля воды от его массы).
Плотность различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах (табл. 1.1).
Часто среднюю плотность материала относят к плотности воды при 4 °С, равной 1 г/см3, и тогда определяемая плотность становится как бы безразмерной величиной, которую называют относительной плотностью d. (d=ρо/ρводы).
Для ряда простых технических расчетов определяют коэффициент плотности, характеризующий степень заполнения объема материала веществом:
Kпл = V/Vа. (1.4)
После подстановки в формулу значений Va и V
Кпл = ρо/ρ, или Кпл = (ρо/ρ) 100%. (1.5)
Таблица 1.1.
Плотность некоторых строительных материалов
Наименование материала |
Плотность, кг/м3 |
|
средняя |
истинная |
|
Сталь |
7850 |
7800... 7900 |
Гранит |
2500.,. 2900 |
2700... 3000 |
Известняк (плотный) |
1600... 2400 |
2400. ..2600 |
Песок |
1500... 1700* |
2500... 2600 |
Глина |
1600. ..1800* |
2500... 2700 |
Цемент |
1100... 1350* |
~3100 |
Кирпич керамический обыкновенный - |
1600... 1900 |
2600... 2700 |
Кирпич керамический пористый |
600... 1400 |
2600... 2700 |
Бетон тяжелый |
1800... 2500 |
2500... 2600 |
Сосна |
400... 600 |
1550. . . 1600 |
Мипора |
10... 20 |
— |
*У сыпучих материалов – насыпная плотность
Насыпная плотность ρн (кг/м3; г/см3) — отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для сыпучих материалов (песка, щебня, цемента и т. п.). В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне (или куске), но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме материала.
Насыпная плотность материалов учитывается при расчете складов, способа перевозки, при расчете составов композиционных материалов.
Пористость П — относительная величина, показывающая, какая часть объема материала занята внутренними порами. По значению пористость дополняет коэффициент плотности до 1 или до 100 % и определяется по формуле
П=1- ρо/ρ или П = (1 - ρо/ρ) 100%. (1.6)
Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или ртутью.
Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. По величине они могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Более крупные поры, например, между зернами сыпучих материалов, или полости, имеющиеся в некоторых изделиях (пустотелый кирпич, панели из железобетона), называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом или водой; в пустотах, особенно в широкополосных, вода не может задерживаться и вытекает.
Пористость материалов колеблется в широких пределах:
от 0,2...0,8 % — у гранита и мрамора
до 75...85 % у теплоизоляционного кирпича и у ячеистого бетона
и свыше 90 % —у пенопластов и минеральной ваты.
От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры — сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.
Сведения о пористости материала позволяют определять целесообразные области его применения.
Свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. Среди физических процессов наибольшее значение в практике имеют воздействия водной и паровой среды, тепловые воздействия, распространение звуковых волн, электротока, ядерных излучений и т. п. Отношение мате риала к статическому или циклическому воздействию воды или пара характеризуется гидрофизическими свойствами (гигроскопичность, капиллярное всасывание, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, паропроницаемость, влажностные деформации, морозостойкость).
Гигроскопичность W (%)— способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха.
Гигроскопичность вызывается сорбцией, представляющей собой физико-химический процесс поглощения водяных паров из воздуха как в результате их адсорбции на внутренней поверхности материала, так и капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация возможна только в капиллярах с малым радиусом (менее 10-7 м), так как разность давлений насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью мениска и плоской поверхностью в капиллярах с большим радиусом несущественна. Гигроскопичность, зависит как от свойств материала — величины и характера пористости, так и от условий внешней среды — температуры и относительной влажности, а для сыпучих материалов также от их растворимости в воде и дисперсности и снижением температуры воздуха. Этот процесс носит обратимый характер. Гигроскопичность характеризуется величиной отношения массы поглощен ной материалом влаги, при относительной влажности воздуха 100% и температуре.20°С, к массе сухого материала, выраженной в процентах.
Капиллярное всасывание (подъем) воды пористым материалом происходит по капиллярным порам, когда часть конструкции соприкасается с водой. Например, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Капиллярными называют поры с такими условными радиусами, при которых их капиллярный потенциал (потенциальная энергия поля капиллярных сил, отнесенных к единице массы жидкости) значительно больше потенциала поля тяжести.
Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.
При качественном рассмотрении явления высоту поднятия жидкости h в капилляре можно определить по формуле Жюрена:
h = 2σ-cosθ/(r ρ g), (1.7)
где σ — поверхностное натяжение; θ — краевой угол смачивания; r — радиус капилляра; ρ — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Более точно, учитывая неправильную форму пор в материале и их изменяющееся поперечное сечение, высоту всасывания воды определяют экспериментально по методу «меченых атомов» либо по измерению электропроводности материала.
Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону:
V2 = K t, (1.8)
где К — константа всасывания. Уменьшение интенсивности всасывания (т. е. значения К) указывает на улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его морозостойкости.
Водопоглощение (% или без размерности)— свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Количество поглощенной образцом материала воды, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе Wm, а отнесенные к его объему Wо — водопоглощением по объему:
Wm = [(mв — mc)/mc] 100%, (1.9)
Wо = [(mв— mc)/(pвV )100%, (1.10)
где mс и mв— масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, кг; рв — плотность воды, кг/м3.
После почленного деления этих двух выражений устанавливается зависимость:
W0 = Wm d. (1.11)
Для оперативного контроля влажности преимущественно сыпучих материалов (например, заполнителей для бетона — песка, щебня) применяют диэлькометрический и нейтронный методы. Диэлькометрический метод измерения основан на зависимости между влажностью и диэлектрической проницаемостью материала. В нейтронном методе используется связь влажности и степени замедления быстрых нейтронов, проходящих через материал.
Водопоглощение по объему отражает степень заполнения пор материала водой. Так как вода проникает не во все замкнутые поры и не удерживается в открытых пустотах, объемное водопоглощение меньше истинной пористости.
Коэффициент насыщения пор водой — отношение водопоглощения по объему к пористости
Kн = Wo/П (1.12)
позволяет оценить структуру материала. Он может изменяться от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты, т. е. W0 = П). Уменьшение Кн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что проявляется в повышении морозостойкости.
При насыщении материала водой существенно изменяются его свойства: увеличивается плотность и теплопроводность, происходят некоторые структурные изменения в материале, вызывающие появление в нем внутренних напряжений, что, как правило, приводит к снижению прочности материала.
Влажностные деформации — изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при его высыхании называют усадкой (усушкой), а увеличение размеров и объема при увлажнении вплоть до полного насыщения материала водой — набуханием (разбуханием). Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина поперек волокон 30...100 мм/м; ячеистый бетон 1...3 мм/м; кирпич керамический 0,03...0,1 мм/м; тяжелый бетон 0,3...0,7 мм/м; гранит 0,02...0,06 мм/м).
Водостойкость — способность материала сохранять прочность при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости является коэффициент размягчения
Кp = Rнас/Rcух, (1.13)
где Rнас и Rсух — предел прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образца, МПа.
Этот коэффициент изменяется от 0 (полностью размокающие материалы, например необожженные глиняные материалы) до величины, близкой к 1 (сталь, стекло, гранит). К водостойким относятся строительные материалы, коэффициент размягчения которых больше 0,8. Эти материалы разрешается применять в сырых местах без специальных мер по их защите от увлажнения.
Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.
Многократное гигроскопическое увлажнение и высушивание вызывает в материале знакопеременные напряжения и со временем приводит к потере им несущей способности.
Влагоотдача (кг/сут) — свойство, характеризующее скорость высыхания материала, при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха).
Влагоотдача обычно характеризуется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после строительства, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим (воздушно-влажным) состоянием.
Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м2 поверхности материала при заданном давлении воды.
Для определения водопроницаемости используют различные устройства, позволяющие создавать нужное одностороннее давление воды на поверхность материала. Методика определения зависит от назначения и разновидности материала. Водопроницаемость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше его водопроницаемость.
При выборе материалов для специальных целей (кровельные материалы, бетоны для гидротехнических сооружений, трубы и др.) чаще оценивают не водопроницаемость, а водонепроницаемость характеризуемую периодом времени, по истечении которого появляются при знаки просачивания воды под определенным давлением через образец испытуемого материала (кровельные материалы), или предельной величиной давления воды (Па), при котором вода не проходит через образец (например, бетон).
Паропроницаемость и газопроницаемость — способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы, (воздух). Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, численно равным количеству водяного пара, проникающего через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 секунды, и разностью парциальных давлений пара в 133,3 Па. Аналогичным коэффициентом оценивается и газопроницаемость (воздухопроницаемость). Эти характеристики определяются для комплексной оценки физических свойств строительного материала или при его специальном назначении. Материалы для стен жилых зданий должны обладать определенной проницаемостью (стена должна «дышать»), т. е. через наружные стены происходит естественная вентиляция. Наоборот, стены и покрытия влажных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения в них водяного пара, особенно зимой, когда содержание пара внутри помещения значительно больше, чем снаружи, и пар, проникая в холодную зону ограждения, конденсируется, резко повышает влажность в этих местах. В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость (емкости для хранения газов и др.).
Морозостойкость — свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и все сторонним гидростатическим давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда на 9% (плотность воды равна 1 г/см3, а льда — 0,917 г/см3). При этом давление на стенки пор может достигать при некоторых условиях сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Однако у многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, а микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.
При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80 % объема пор (Кн<0,8). Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.
Морозостойкость характеризуется числом циклов по переменного замораживания при -15 —-17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С.
Выбор температуры замораживания не выше —15, —17 оС вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в ДБНах (СНиПах) и ГОСТах на материалы.
Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а прочность снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %) по сравнению с водонасышенным образцом не подвергавшемуся замораживанию.
Для определения морозостойкости иногда используют ускоренный метод, например с помощью раствора сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при ее высыхании в порах образцов воспроизводит механическое действие замерзающей воды, но в более сильной степени, так как образующиеся кристаллы крупнее (значительное увеличение объема). Один цикл таких испытаний приравнивается 5...10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. С некоторым приближением о морозостойкости можно косвенно судить по величине коэффициента размягчения. Большое понижение прочности вследствие размягчения материала (больше 10 %) указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на морозостойкости материала.
Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию характеризуется его теплопроводностью, теплоемкостью, термической стойкостью, огнестойкостью, огнеупорностью.
Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность λ [Вт/(м°С)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 °С.
Теплопроводность материала зависит от его химического состава и структуры, степени и характера пористости, влажности и температуры, при которых происходит процесс передачи теплоты. Материалы слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза больше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения.
В значительной мере теплопроводность зависит от величины пористости, размера и характера пор. У пористых материалов тепловой поток проходит через твердый «каркас» материала и воздушные ячейки. Теплопроводность воздуха очень низка — 0,023 Вт/(м°С), а вещества, из которых построен твердый каркас материала, имеют значительно большую теплопроводность. Мелко пористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые материалы и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность. Теплопроводность однородного материала зависит от плотности, для некоторых групп материалов установлена определенная связь между теплопроводностью и относительной плотностью (формула В. П. Некрасова):
λ
= 1,16
—
0,16.
(1.14)
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет теплопроводность в 25 раз больше, чем воздух. Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность льда равна 2,3 Вт/(м°С), т. е. в 4 раза больше, чем у воды.
Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры. Это необходимо знать при выборе материалов для тепловой изоляции теплопроводов, котельных установок и т. п.
Теплопроводность материалов учитывается при теплотехнических расчетах толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуемой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей и холодильников. Она связана термическим сопротивлением слоя материала R (м2°С/Вт), которое определяется по формуле:
R = δ/λ, (1.15)
где δ — толщина слоя, м; λ — теплопроводность слоя материала, Вт/(м.°С).
От термического сопротивления зависят толщина требуемая наружных стен. Неправильный выбор вида и толщины материала стен увеличивает расход топлива на отопление зданий. В табл. 1.2 приведены значения теплопроводности некоторых строительных материалов в воздушно-сухом состоянии.
Таблица 1.2.
Теплопроводность некоторых строительных материалов*
Наименование материала |
Теплопроводность, Вт/(м°С) |
Наименование материала |
Теплопроводность, Вт/(м°С) |
Сталь |
58 |
Бетон легкий |
0,35...0,8 |
Гранит |
2,9...3,3 |
Пенобетон |
0,12...0,15 |
Бетон тяжелый |
1,28... 1,55 |
Фибролит |
0,09...0,17 |
Кирпич керамический |
0,81...0,87 |
Минеральная вата |
0,05... 0,09 |
сплошной |
|
Пенопласт |
0,035…0,06 |
Вода (для сравнения) Воздух (для сравнения) |
0,59 0,029 |
Древесноволокнистые плиты |
0,08 |
Известняк |
0,52...0,98 |
Мипора |
0,04...0,05 |
* теплопроводность практически всех применяемых материалов можно найти в приложении к СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника».
Теплоемкость — свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Материалы с высокой теплоемкостью могут выделять больше теплоты при последующем охлаждении. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, пола, перегородок и других частей помещений температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время. Теплоемкость оценивают коэффициентом тепло емкости (удельной теплоемкостью), т. е. количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1оС.
Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью [4,2 кДж/(кг°С)]. Например, коэффициент теплоемкости лесных материалов 2,39...2,72 кДж/(кг°С), природных и искусственных каменных материалов — 0,75...0,92 кДж/(кг°С), стали — 0,48 кДж/(кг°С). Поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.
Коэффициент теплоемкости материалов используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций (стен, перекрытий), подогрева материала при зимних работах (бетонных, каменных и т. д.), а также при расчете печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя удельную объемную теплоемкость, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 м3 материала на 1 °С.
Термическая стойкость — способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений. Это свойство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент линейного температурного расширения характеризует удлинение одного метра (1 м) материала при нагревании его на 1оC коэффициент объемного расширения характеризует увеличение объема 1 м;) материала при нагревании его на 1°С. Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше и его термическая стойкость, т. е. большое количество циклов резких смен температуры он может выдержать. Так, каменные материалы из мономинеральных горных пород (мрамор) более термостойки, чем породы, сложенные из нескольких минера лов (например, гранит). При жестком соединении материалов с различными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и, как результат, — коробление и растрескивание материала. Во избежание этого конструкции большой протяженности разрезают деформационными швами.
Огнестойкость — свойство материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости строительные материалы делят на три группы:
несгораемые,
трудносгораемые
сгораемые.
Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут деформироваться, сильно (сталь) или растрескиваться (гранит). Поэтому стальные конструкции часто требуется защищать другими, более огнестойкими материалами.
Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня процессы горения, тления и обугливания прекращаются (фибролит, асфальтовый бетон и др.).
Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и горят или тлеют, и после удаления источника огня (древесина, войлок, битумы, смолы и др.).
Огнестойкость — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру более 1580 °С, называют огнеупорными, от 1350 до 1580 оС — тугоплавкими, ниже 1350 °С — легкоплавкими.
Материалы, которые способны длительное время выдерживать воздействие температур до 1000°С без потери или с незначительной потерей прочности, относят к жаростойким (жаростойкие бетон, кирпич и др.).
Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений. Уровни радиации вокруг современных источников ионизирующих излучений настолько велики, что может произойти глубокое изменение структуры материала (например, происходит аморфизация структуры кристаллических минералов, которая сопровождается объемными изменениями и возникновением внутренних напряжений). Для сравнительной оценки защитных свойств материала используют «толщину слоя половинного ослабления», равную толщине слоя защитного материала, необходимой для ослабления интенсивности излучения в 2 раза.
Акустические свойства — это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук (звуковые волны) — это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: звукопроводность — способность материал проводить звук сквозь свою толщу и звукопоглощение способность материала поглощать и отражать падающий на него звук. Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание. Поэтому чем больше масса материала, тем меньше он проводит звук. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию. Звукопоглощение зависит от характера поверхности и пористости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают значительную часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами из-за многократного отражения от них звука создается постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются. Так, мягкая мебель, ковры, специальные штукатурки и облицовки с мелкими открытыми порами хорошо заглушают звук.
Б. Механические свойства
Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры.
Внешние силы, действующие на материал, стремятся деформировать его (изменить взаимное расположение составляющих частиц) и довести эти деформации до величины, при которой материал разрушится. После снятия нагрузки материал, если он не был разрушен, может восстанавливать размеры и форму или оставаться в деформированном виде.
Деформации, исчезающие при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших, называют обратимыми. Обратимые деформации называют упругими, если они исчезают мгновенно после снятия факторов, их вызвавших, и эластическими, если они, оставаясь полностью обратимыми, спадают в течение более длительного периода времени. Необратимые (остаточные) или пластические деформации накапливаются за период действия силовых, тепловых и других факторов, под влиянием которых они возникли, и сохраняются после прекращения действия этих факторов.
Все виды деформаций могут иметь место у одного и того же строительного материала, но при разных величинах нагрузок, или быть у разных материалов при одинаковой и тем более разных нагрузках. Характер и величина деформации зависят также от скорости нагружения и температуры материала. Чаще всего с повышением скорости нагружения (скорости деформирования) и с понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим.
Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжений, характеризует текучесть материала.
Пластическая деформация медленно нарастающая длительное время (месяцы и годы), при нагрузках, меньше тех, которые способны вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется де формацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью или крипом. Ползучесть необходимо учитывать при расчете и изготовлении строительных конструкций.
Релаксация — свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации зафиксирована жесткими связями и остается неизменной. При релаксации напряжений может измениться характер начальной деформации, на пример из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), при этом изменения размеров не происходит. Такое исчезновение напряжений возможно за счет межмолекулярных перемещений и переориентации внутримолекулярной структуры.
Время, в течение которого первоначальная величина напряжения снижается в е=2,718 раза (е — основание натурального логарифма), называют периодом релаксации. Период релаксации меняется от 10-10 с у материалов жидкой консистенции до 2х1010 с (десятки лет и более)— у твердых материалов (чем меньше, тем более деформативен материал).
Упругость — свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Количественно упругость характеризуют пределом упругости, который условно приравнивают напряжению, при котором материал начинает получать остаточные деформации очень малой величины, устанавливаемой в технических условиях для данного материала.
Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т. е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е связывает упругую относительную деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением, выражающим закон Гука:
ε = σ/Е. (1.16)
Существует прямая зависимость модуля упругости от вида и энергии химических связей, действующих между атомами и молекулами данного материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей характеризуются и большим модулем упругости.
Пластичность — свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Это свойство важно учитывать при выборе материалов для несущих конструкций, а также выборе технологии изготовления некоторых изделий (например, керамических). Наиболее желательными для несущих конструкций являются материалы, которые наряду с большой упругостью перед разрушением обладают высокой пластичностью. Разрушение в подобных материалах не будет происходить внезапно (например, у стали марки А-I).
Хрупкость — свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации. Так как для развития пластических деформаций требуется определенное время, то хрупкость особенно четко проявляется при ударной нагрузке. Для хрупких материалов характерна также большая разница (в 10... 15 раз и более) в пределах прочности при растяжении и сжатии. Характер разрушения строительных материалов зависит от температуры, влажности, скорости нагружения. Так, битум при отрицательных, а сталь при очень низких температурах могут разрушаться как хрупкий материал, поэтому более правильно для большинства материалов говорить о пластичном и хрупком состояниях.
Прочность — свойство материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов. Прочность материала является одной из основных характеристик для большинства строительных материалов, так как они в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб, срез, удар и др.). Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные нагрузки, которые может воспринимать данный элемент при заданном сечении, или по заданным нагрузкам рассчитывать технически и экономически целесообразное сечение конструкции из данного материала.
Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Приближенно ее можно вычислить, используя уравнение Орована-Келли:
σт
=
,
(1.17)
где Е — модуль упругости; Э — поверхностная энергия твердого тела на 1 см2; а — межатомное расстояние (в среднем 2х10-8см).
Формула получена из условия, что в момент разрушения материала вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит и энергию двух новых поверхностей, образовавшихся при разрушении материала. В соответствии с приведенным выражением прочность твердого тела должна находиться между значениями Е/5 и Е/10. Например, теоретическая прочность стали 30 000 МПа, а фактически прочность обычной стали около 400 МПа; теоретическая прочность стекла при комнатной температуре 14000 МПа, а фактически прочность обыкновенного стекла только 70...150 МПа. Следовательно, используется только сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярных и кончая макродефектами, например порами и трещинами).
Прочность материала оценивают пределом прочности (Па), который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала:
R = Р/F, (1.18)
где Р — разрушающая сила, Н; F — площадь сечения образца до испытания, м2.
Практически предел прочности определяют путем разрушения (нагружения) стандартных образцов, примеры некоторых из которых показаны на рис. 1.1 на специальных прессах (рис. 1.2) или разрывных машинах.
Для некоторых материалов (бетона, кирпича, природных каменных материалов) предел прочности на растяжение (Rp) ориентировочно можно определить путем раскалывания цилиндров или призм (рис. 1.3) и вычислять по формуле
Rр = 2 P /(π l d), (1.19)
где 1 — длина или ширина призмы, плиты, м; d — диаметр цилиндра или толщина призмы, плиты, м.
|
Рис. 1.1. Стандартные образцы для испытания материалов: I — на сжатие; а — плотный природный камень; б — пористый природный камень; в —бетон; г — кирпич (куб склеен из двух половинок); II —на изгиб; а —цементный раствор; б — кирпич; в — древесина |
|
Рис. 1.2. Схема гидравлического пресса: 7 —станина; 2 — поршень; 3 — нижняя опорная плита с шаровой поверхностью; 4 — испытуемый образец; 5 — верхняя опорная плита; 6 — винтовое приспособление для зажима образца; 7 — манометр; 8—масляный насос |
|
Рис. 1.3. Схема испытания на растяжение путем раскалывания |
На изгиб испытывают образцы материалов в виде балочек, расположенных на двух опорах. В зависимости от схемы загружения образца (см. рис. 1.1) расчет предела прочности при изгибе (Па) производят по формулам:
при одном грузе по середине балки прямоугольного сечения
Rи = 3 P l / (2 b h2); (1.20)
при двух равных нагрузках, расположенных симметрично горизонтальной оси балки,
Rи = 3 Р (l − a)/( b h2), (1.21)
где P — разрушающая сила, Н; l — расстояние между опорами, м; а — расстояние между грузами, м; b и h — ширина и высота балки в поперечном сечении, м.
Вышеуказанные характеристики прочности в значительной степени являются условными так как:
они не учитывают фактора времени, т. е. продолжительности действия напряжений, что искажает величину истинной прочности материала;
размеры, форма, характер поверхности образцов материала, скорость нагружения, приборы и другие исходные данные в принятых методах условны. Предел прочности одного и того же материала может иметь различную величину в зависимости от размера образца, его формы, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы.
Однако, несмотря на это, у большинства материалов, применяемых в строительстве, период релаксации весьма большой по сравнению с временем действия нагрузки. Поэтому для определения прочностных характеристик вполне допустимы условные методы, получившие широкое распространение в инженерной практике. При этом важно строго соблюдать все условия испытаний, установленные для данного материала в соответствующих стандартах.
Наряду с описанными методами оценки прочности строительных материалов, при которых специально изготовленные образцы материалов или взятые из партии готовые изделия доводят до разрушения, применяют методы контроля прочности без разрушения. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении или после установки в зданиях и сооружениях. Наибольшее распространение из неразрушающих методов испытаний получили акустические, в частности импульсный и резонансный. Оценка свойств материала или изделия при этом производится по косвенным показателям — скорости распространения ультразвука, а также частоте собственных колебаний материала и характеристике их затухания путем использования корреляционной связи этих параметров с прочностью или динамическим модулем упругости, выражаемой обычно тарировочными кривыми или эмпирическими формулами. Без определения прочности можно также установить степень однородности материала в конструкции по скорости распространения ультразвука в различных ее частях. Однородность прочности материала — это важнейшее техническое и экономическое требование.
Предел прочности материала (чаще при сжатии) характеризует его марку. Предел прочности строительных материалов при сжатии колеблется в широких пределах— 0,5...1000 МПа и более. У большинства материалов (кроме древесины, стали, полимерных материалов) предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Так, каменные материалы при растяжении выдерживают нагрузку меньше в 10... 15 раз и более, чем при сжатии, поэтому их применяют главным образом в конструкциях, которые работают на сжатие.
Для строительных материалов, работающих в сооружениях, действующее напряжение должно быть меньше величины предела его прочности. В результате создается запас прочности. Необходимость создания запаса прочности вызывается рядом причин: неоднородностью материала, возможностью значительной деформации еще до предела прочности и появления трещин, усталостью материала при переменных нагрузках, «старением» материала под влиянием окружающей среды и т. д. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества материала, долговечности и класса сооружения.
Для оценки прочностной эффективности материала часто используют коэффициент конструктивного качества (ККК.). Величина этого коэффициента определяется делением предела прочности при сжатии Rсж на относительную плотность материала d.
ККК= Rсж/ d 1.22
Наиболее эффективными являются материалы, имеющие наименьшую плотность и наиболее высокую прочность.
При обосновании технической целесообразности применения материала для устройства полов промышленных зданий, дорожных и аэродромных покрытий, тротуаров и в других случаях строительной практики (например, выборе способа обработки материала) важное значение имеют специальные механические свойства: ударная вязкость (ударная или динамическая прочность), твердость, истираемость и износостойкость.
Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность) — свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Испытания производят на приборах — копрах. Характеристикой этого свойства является работа, затраченная на разрушение стандартного образца (Дж), отнесенная к единице его объема (м3) или площади (м2). Отношение динамической прочности к статической называют динамическим коэффициентом.
Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. Для определения твердости материалов в зависимости от их вида и назначения существует ряд методов.
Твердость каменных материалов однородного строения определяют по шкале Мооса, которая составлена из 10 минералов с условным показателем твердости от 1 до 10 (самый мягкий тальк— 1, самый твердый алмаз— 10). Показатель Твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один царапает испытываемый материал, а другой оставляет черту на образце материала.
Немецкий минералог Фридрих Моос (1773—1839) предложил шкалу, согласно которой минералы группируются в соответствии с их относительной твердостью по десятибалльной шкале, которая называется минералогической шкалой твердости, или шкалой Мооса. Каждый минерал, занимающий определенное место в этой шкале, царапает все минералы с меньшим значением твердости, но в то же время сам царапается стоящими выше него более твердыми минералами. Минералы с равными значениями твердости не царапают друг друга.
Путем сравнения с этой шкалой может быть установлена твердость любого минерала — твердость по Моосу. 'Минералы с твердостью 1 и 2 считаются мягкими, от 3 до 6 — средней твердости, а выше 6 — твердыми. О минералах с твердостью 8—10 говорят, что они обладают твердостью драгоценных камней.
Шкала Мооса — относительная шкала. С ее помощью может быть установлено лишь, какой минерал тверже. О том, насколько увеличивается в количественном выражении твердость от ступени к ступени по шкале Мооса, сказать нельзя. В представленной здесь таблице эта шкала сопоставлена с абсолютными значениями твердости — это твердость шлифования в воде по Розивалю. Сопоставление показывает, как скачкообразно возрастает абсолютная твердость.
Шкала твердости |
Минерал |
Твердость по Моосу |
Твердость шлифования (по Розивалю) |
1 |
Тальк |
Скоблится ногтем |
0,03 |
2 |
Гипс |
Царапается ногтем |
1,25 |
3 |
Кальцит |
Царапается медной монетой |
4,5 |
4 |
Флюорит |
Легко царапается перочинным ножом |
5,0 |
5 |
Апатит |
С трудом царапается перочинным ножом |
6,5 |
6 |
Ортоклаз |
Царапается напильником |
37 |
7 |
Кварц |
Царапает оконное стекло |
120 |
8 |
Топаз |
Легко царапает кварц |
175 |
9 |
Корунд |
Легко царапает топаз |
1000 |
10 |
Алмаз |
Не царапается ничем |
140000 |
Твердость металла, бетона, пластмасс определяют вдавливанием в испытуемый образец под определенной нагрузкой и в течение определенного времени стандартного стального шарика (твердость по Бринеллю HB). За характеристику твердости в этом случае принимают отношение нагрузки к площади отпечатка.
1.23.
где Р – нагрузка, Н, F- площадь поверхности отпечатка, D,d – диаметры шарика и отпечатка, м. Единицы измерения НВ – МПа.
Кроме того, твердость пластинчатых материалов (например, металлов) может быть определена путем вдавливания в образец конуса или пирамиды из малодеформирующегося материала
Показатели твердости, полученные разными способами, нельзя сравнивать друг с другом. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости (например, древесина по прочности при сжатии равнозначна бетону, а ее твердость значительно меньше, чем у бетона). Для некоторых материалов (например, для металлов) существует определенная связь между твердостью и прочностью, для других материалов (однородные каменные материалы) — между твердостью и истираемостью.
Истираемость — свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Оба эти свойства определяют различными условными методами: истираемость — на специальных кругах истирания, а износ — с помощью вращающихся барабанов, куда вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику истираемости принимают потерю массы или объема материала, отнесенных к 1 см2 площади истирания, а за характеристику износа — относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала.
Истираемость вычисляют по формуле, г/см2
1.24
где m1, m2 – масса до и после испытания, F – площадь истирания, см2.
Допустимые показатели истираемости и износа нормируются в соответствующих стандартах.
Некоторые свойства материалов проявляются при изготовлении материалов и в процессе возведения зданий и сооружений, их называют технологическими.
Технологические свойства характеризуют способность материала к восприятию некоторых технологических операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих нужную форму и размеры, и т. п.
Такие технологические свойства, как дробимость, распиливаемость, шлифуемость, гвоздимость и т. п., имеют важное практическое значение, ибо от них зависят качество и стоимость готовых изделий и конструкций. Для оценки технологических свойств некоторых материалов разработаны числовые показатели и методы их определения (например, дробимость каменных материалов, подвижность и удобоукладываемость бетонных смесей, укрывистость красочных составов и др.). Для большинства же материалов установлены лишь качественные характеристики технологических свойств.
В. Химические и физико-химические свойства
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. Последнее связано с тем, что некоторые материалы за счет неустановившегося равновесия внутренних химических связей склонны к самопроизвольным структурным изменениям («старению»). Оба явления могут изменить первоначальные основные свойства материала, иногда улучшая (например, взаимодействие вяжущих веществ с водой), а в большинстве случаев ухудшая показатели свойств, что приводит к уменьшению срока нормальной службы конструкций или сооружений (например, разрушение бетонных конструкций агрессивными жидкостями и газами, старение пластмасс).
Приведу некоторые из них.
Дисперсность — характеристика размеров твердых частиц и капель жидкости. Многие строительные материалы (гипсовые вяжущие, цемент, глины, пигменты и т. п.) находятся в тонкоизмельченном (дисперсном) состоянии и обладают большой суммарной поверхностью частиц. Величина, характеризующая степень раздробленности материала и развитости его поверхности, называется удельной поверхностью — поверхность единицы объема (см2/см3) или массы (см2/г) материала.
Физико-химические свойства поверхностного слоя дисперсных частиц сильно отличаются от свойств этого же вещества «в массе». Причина этого в том, что атомы (молекулы) вещества, находящиеся внутри материала, уравновешены действием окружающих атомов (молекул), в то время как атомы (молекулы) на поверхности вещества находятся в неуравновешенном состоянии и обладают особым запасом энергии. С увеличением удельной поверхности вещества возрастает его химическая активность (например, цемент с удельной поверхностью 3000...3500 см2/г через 1 сутки твердения связывает 10... 13 % воды, а с удельной поверхностью 4500...5000 см2/г — около 18 %).
Адгезия— свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Адгезия двух различных материалов зависит от природы материала, формы и состояния поверхности, условий контакта и т. д. Она появляется и развивается в результате сложных поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз, и характеризуется прочностью сцепления при отрыве одного материала от другого. Важное значение адгезионные свойства имеют при получении композиционных материалов и изделий (бетонов разных видов, клееных изделий и конструкций, отделочных материалов).
Многие строительные материалы в процессе их изготовления и применения проходят стадию пластично-вязкого состояния (гипсовое, цементное, глиняное тесто, свежеприготовленные растворные и бетонные смеси, мастики, формуемые материалы из полимеров и т. д.). По своим физическим свойствам пластично-вязкие тела занимают промежуточное положение между жидкими и твердыми телами. Так тесто можно разрезать ножом (что нельзя сделать с жидкостью), но вместе с тем это же тесто принимает форму сосуда, в который оно помещено, т. е. ведет себя, как жидкость. Пластично-вязкие смеси характеризуют реологическими показателями — структурной прочностью, вязкостью и тиксотропией.
Структурная прочность — прочность внутренних связей между частицами материала. Ее оценивают пре дельным напряжением сдвига, соответствующим напряжению в материале, при котором он начинает течь подобно жидкости. Это происходит тогда, когда в материале нарушаются внутренние связи между его частицами — разрушается его структура.
Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию при деформировании образцов. Когда пластично-вязкий материал начинает течь, напряжения в материале зависят уже от скорости его деформации. Коэффициент пропорциональности, связывающий скорость деформации и необходимое для этого напряжение, называют вязкостью г/ (Па-с).
Тиксотропия — способность пластично-вязких смесей обратимо восстанавливать свою структуру, разрушенную механическими воздействиями. Физическая основа тиксотропии — разрушение структурных связей внутри пластично-вязкого материала, при этом материал теряет структурную прочность и «превращается в вязкую жидкость, а после прекращения механического воздействия материал обретает структурную прочность. Явление тиксотропии используют при виброуплотнении бетонных и растворных смесей, при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью и т. д.
Химическая стойкость — свойство материала сопротивляться действию агрессивной среды. Агрессивная среда (кислоты, щелочи, растворы солей, газы), взаимодействуя с материалом, может вызвать его разрушение (коррозию). Степень разрушения зависит от многих факторов и прежде всего от состава материала и его плотности. Коррозионную стой кость оценивают химическим анализом. Для приближен ной оценки химической стойкости материала в кислых и щелочных средах можно воспользоваться модулем основности М0:
1.25
При небольшом модуле основности, когда в неорганическом материале преобладает кремнезем, наблюдается высокая стойкость к кислотам. Когда в составе не органического материала преобладают основные оксиды и модуль основности достаточно высок, то этот материал обычно нестоек к кислотам, но щелочами не разрушается. Органические материалы (древесина, битумы, пластмассы) при обычных температурах относительно стойки к действию слабых кислот и щелочной среды. Однако значительная часть строительных материалов не обладает достаточной стойкостью к действию агрессивной среды и требует специальной защиты от коррозии.
Д. Комплексные свойства
Долговечность - способность материала (изделия) сохранять требуемые свойства до предельного состояния, заданного условиями эксплуатации. За предельное состояние принимается то минимально (или максимально) допустимое значение показателей свойств, ниже которых материал (изделие) уже не может применяться в заданном эксплуатационном режиме. Долговечность материала зависит, с одной стороны, от состава, структуры и качества (совокупности свойств) самого материала, с другой — от совокупности воздействующих на него в период эксплуатации факторов: режима и уровня нагрузок, температуры, влажности и агрессивности среды и т.п. Поэтому для каждого конкретного материала его долговечность будет зависеть от области и способа его применения, интенсивности эксплуатационных нагрузок, уровня ухода за ним в течение всего срока службы.
Долговечность строительных материалов оценивается по важнейшим эксплуатационным показателям, экспериментальным и расчетным данным, и количественно измеряется временем (в годах) от начала эксплуатации в заданном режиме до момента достижения предельного состояния. Как отмечалось, требование наибольшей долговечности предъявляется ко всем конструкционным материалам. Для материалов несущих и ограждающих конструкций она должна быть не менее срока службы здания и сооружения. Долговечность отделочных материалов может быть ниже, поскольку она корректируется сроками морального старения отделки. Кроме морального старения, определяющего технико-экономическую и эстетическую целесообразность дальнейшей эксплуатации материала, изделия и конструкции, различают физическое старение (или просто старение).
Старение - изменение структуры и свойств материала при эксплуатации или длительном хранении. Ряд строительных материалов практически не стареет. На тысячелетия сохранил природный камень произведения древней архитектуры, многие столетия существуют постройки из древесины, керамики, бетона. Старение происходит в материалах с повышенным уровнем внутренней энергии, находящихся в неустойчивом (метастабильном) состоянии и стремящихся самопроизвольно перейти в более устойчивое (стабильное) состояние. Внешние атмосферные и иные воздействия могут значительно ускорить сложный физико-химический процесс этого перехода. Довольно быстро стареют с заметным ухудшением эксплуатационных свойств многие пластмассы (например, полиэтиленовая пленка со временем мутнеет, теряет прозрачность, гибкость), резиновые материалы; подвержены старению и некоторые металлические сплавы (дюралюмины и др.).
Надежность - одно из основных комплексных свойств материала, определяющее его способность выполнять свои функции в течение заданного времени и при данных условиях эксплуатации, сохраняя при этом в определенных пределах установленные характеристики. Надежность материала зависит от совокупности многих факторов, определяющих условия производства, транспортирования, хранения, обработки, применения и эксплуатации. Основное значение надежности состоит в исключении «отказов» - внезапного ухудшения свойств материала ниже уровня браковочного показателя, которым обусловлена его работоспособность. Высокая надежность особенно важна для конструкционных материалов, работающих в экстремальных условиях (высокие напряжения, температура, агрессивная среда и т.п.) и при малых запасах прочности. Надежность таких материалов оценивается ускоренными испытаниями основных эксплуатационно-технических свойств (прочность, усталость, ползучесть, коррозионная стойкость и др.).
Показатели долговечности и надежности строительных материалов и изделий во многом определяют затраты на эксплуатацию (и прежде всего на ремонт) здании и сооружений.
Важнейшим комплексным свойством строительных материалов является совместимость. Под совместимостью материалов понимают способность разнородных материалов или компонентов композиционных материалов, изделий и конструкций образовывать прочное и надежное неразъемное соединение и стабильно выполнять при этом необходимые функции в течение заданного времени.
Совместимость рассматривают в разных аспектах: физико-химическом (обеспечение прочной связи в результате смачивания, схватывания в твердой фазе или спекания, предупреждение недопустимого взаимодействия) и физико-механическом (распределение и снижение внутренних напряжений термического и механического происхождения, формирование рационального соотношения между деформационным упрочнением компонентов и т.п.). Эти аспекты учитывают при производстве искусственных строительных конгломератов (например, совместимость в железобетонных изделиях цементного камня, заполнителя и стальной арматуры), при создании конструкции типа сэндвич или подборе наружной облицовки стен (учет совместных механических и температурно-влажностных деформаций), при работе с клеями, мастиками, лакокрасочными материалами и т.д.
Материалы, образующие в результате контактного взаимодействия промежуточные соединения и фазы с очень низкими механическими и специальными свойствами, несовместимы. Из них нельзя создать композиционный материал или изделие. Степень интенсивности физико-химического взаимодействия контактирующих материалов во многом определяется не только их природой, но и условиями производственно-технологического процесса. Технологические аспекты совместимости материалов проявляются также в процессе их применения в строительстве (например, выбор лакокрасочного материала в зависимости от вида поверхности основания под окраску). Активное средство борьбы с несовместимостью материалов— пассивирование поверхности (например, поверхностное окисление некоторых металлов, специальная грунтовка поверхностей перед окраской и т.п.).
Совместимость материалов может рассматриваться и в аспекте эстетическом; такая совместимость характеризует, прежде всего, возможность использования в одном объекте (например, в интерьере квартиры) отделочных материалов разного цвета, различного по характеру и масштабу рисунка, рельефа поверхности.
Ряд комплексных свойств строительных материалов характеризует их стойкость к одновременному действию высокой температуры, механических сил, химически активной среды и т.д.
Жаропрочность охватывает комплекс свойств - кратковременную и длительную прочность, ползучесть, длительную пластичность.
Жаростойкость характеризует способность материала противостоять при высокой температуре химическому разрушению. Указанными выше свойствами обладают специальные жаропрочные и жаростойкие металлы и сплавы, бетоны и композиционные материалы, которые могут эксплуатироваться при температуре 750 °С и выше. Материалы на основе сложных карбидных композиций сохраняют прочность при температуре до 3000°С.
Теплостойкость – характеризует способность материала (изделия) сохранять эксплуатационные характеристики при одновременном механическом и химическом воздействии в условиях повышенной температуры (до 600°С). Применительно к металлам и сплавам оно может служить условным эквивалентом их жаропрочности и жаростойкости при температурах до 550-600°С. Архитектору, проектирующему промышленные (металлургические, химические) предприятия, необходимо более детальное знакомство с характеристиками материалов, работоспособных в условиях агрессивной среды и повышенной температуры.
При проектировании гидротехнических, портовых сооружений, мостов и набережных необходимо учитывать свойство материала, контактирующего с потоком жидкости, сопротивляться разрушению при воздействии гидравлических ударов. Это комплексное свойство характеризует кавитационную стойкость материала. При эксплуатации материала в агрессивных жидкостях (морская вода) на кавитационное воздействие накладывается коррозия, а в условиях потока воды, несущей наносы, их дополнительное ударное и истирающее действие. Кави-тационная стойкость * металлов и их сплавов значительно выше, чем у высокомарочных бетонов и естественных каменных материалов (гранита, диабаза, базальта), однако в условиях агрессивной среды применение последних более целесообразно.
Кавитационная стойкость является частной характеристикой более общего свойства - эрозионной стойкости-способности материала сопротивляться эрозии, т. е. разрушению поверхностного слоя материала под механическим воздействием твердых тел, жидкости или газа. Для повышения стойкости к эрозии применяют специальное сырье и технологию производства (например, производство высокопрочного гидротехнического бетона), пропитывают поверхность материала полимерными композициями, облицовывают природным камнем. Эрозию используют и как полезное явление: при очистке облицовки зданий пескоструйным способом, для придания бетонной поверхности декоративной фактуры и т.п.