3. Основные свойства материалов

Под свойствами строительных материалов понимают их спо­собность определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или внутренние воздействия - силовые, усадочные, водной или иной среды и т. д.

В совокупности свойства именуют называют техническми свой­ствми строительных материалов.

1.4.1.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Удельные и структурные характеристики.

• Истинная плотность

ρ_и = т/V_а

Размерность истинной плотности - кг/м³ или г/см³.

• Средняя плотность

ρ_с = m/V_eст.

Так как V_t > V_& (равенство только в абсолютно плотных мате­риалах, не содержащих пор, - стали, стекле, воде), то всегда вы­полняется и соотношение ρ_и > ρ_с.

• Пористость

Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчиты­вают по формуле

П = (1- ρ_с./ ρ_и)100

Значения средней и истинной плотности и пористости некоторых строительных материалов

Материал	Плотность, кг/м3		Пористость, %
	средняя	истинная
Гранит	2600...2700	2700...2800	0...2
Тяжелый бетон	2200...2500	2600...2700	2...25
Кирпич	1400... 1800	2500...2600	25...35
Древесина	400... 800	1500...1550	45...70
Пенопласт	15...100	950... 1200	90...98

• Насыпная плотность. Рассчитывают для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень).

ρ_{н =} m/ V_н

Величина V_н включает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами.

Гидрофизические свойства – это свойства стойматериалов по отношению к действию воды.

• Гигроскопичность – это свойство пористого материала поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах строительных материалов.

• Влажность

W=(m_в/m)100

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины W_M, соответствующей максимальному водосодержанию. Для многих строительных материалов влажность нормирова­на. Так, влажность молотого мела - 2 %, стеновых материалов -5...7, воздушно-сухой древесины - 12...18 %.

• Водопоглощаемость Разли­чают водопоглощаемость по массе и по объему.

Водопоглощаемость по массе W_M, %, равно отношению массы воды m_вн, полностью насыщающей материал, к массе сухого ма­териала т

W_{M =} (m_вн/m)100

Водопоглощаемость по объему W_o, %, характеризует степень за­полнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощаемость как отношение объема воды F_BH при полном насыщении мате­риала к его объему V_e

W _{о =} (V_вн/V_e)100

Водопоглощаемость по объему можно вычислить при известных значениях водопоглощаемости по массе и средней плотности мате­риала, используя формулу

W _{о =} W_M ρ_с

• Водостойкость. Критерием водостойкости строитель­ных материалов служит коэффициент размягчения - отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, R_в к прочности при сжатии сухого материала R_c

K_P = R_в /R_с. (4.10)

• Водонепроницаемость Это свойство осо­бенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой по W(W-2...W-8), обозначающей максимальное односто­роннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материа­лов водонепроницаемость характеризуется временем, по истече­нии которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол).

• Паропроницаемость — способность материала пропускать водяные пары при наличии разницы абсолютной влажности воздуха (парциального давления пара в воздухе) по обе стороны материала. В одних случаях нужна высокая паропроницаемость (например, материал стены должен «дышать»); в других желательно отсутствие паропроницемости (теплоизоляция не должна отсы­ревать). Паропроницаемость оценивается количеством водяного пара, которое проходит через слой материала толщиной 1м, площадью 1м² в течение 1ч при разности давлений 10Па.

• Морозостойкость. Мо­розостойкость - одно из основных свойств, характеризующих долговечность строительных материалов в конструкциях и со­оружениях.

Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы, которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы пористые с открытыми порами и соответственно большой водопоглощаемостью часто оказываются неморозостойкими.

• Гидрофильность и гидрофобность — свойства поверхности мате­риала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.

Гидрофильные (от греч. phileo — люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается (смотри рис.), а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.

Поведение капли воды на гидрофильной (а) И гидрофобной (б) поверхностях

Гидрофобные (от греч. phobos — страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются (рис. 2.2, б), а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.

Для снижения смачиваемости материала и поглощения им воды можно изменять характер его поверхности. Особенно эффективны в роли гидрофобизаторов кремнийорганические вещества. Так, кирпич или бетон, обработанные гидрофобизирующей кремнийорганической жидкостью (ГКЖ), перестают поглощать воду, и более того, вода скатывается с поверхности таких гидрофобизированных материалов «как с гуся вода».

Теплофизические свойства характеризуют отношение материала к действию тепла. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких мате­риалов, материалов ограждающих конструкций и изделий, твер­деющих при тепловой обработке.

• Теплопроводность. Теплопроводность мате­риала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1м² поверхности при толщине 1м и разности температур на поверхностях 1°C течение 1ч. Коэффициент теплопроводности λ (Вт/м °C )

λ = Q δ / A (t¹-t²) T

где Q-количество тепла, Дж; δ-толщина материала, м; А-площадь сечения, м²; (t¹-t²)-разность температур, °C; Т-продолжительность прохождения тепла, с.

• Теплоемкость

Показателем теплоемкости служит удельная теплоем­кость С, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы 1кг материала на 1 °C. Численные характеристи­ки теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения С надо знать для расчета затрат на топливо и энергию на обогрев материалов и конструкций при зимних работах.

• Тепловое расширение

Для численной характеристики такого явления используют температурный коэффициент ли­нейного расширения (ТКЛР), который показывает, на какую до­лю первоначальной длины расширяется материал при повыше­нии температуры на 1 °С.

Значения ТКЛР составляют, °С^-1: для бетона (10... 12)•10^-6, стали 10•10^-6, древесины вдоль волокон - (3...5)•10^-6. ТКЛР полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше.

• Огнестойкость - свойство материала выдерживать без раз­рушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери прочности. По огнестойкости различают материалы несгорае­мые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. Они не горят и не поддерживают горение. Это кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы -мрамор, стекло, асбестоцемент - при резком нагревании разру­шаются, а стальные конструкции сильно деформируются и те­ряют прочность.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или вы­сокой температуры медленно воспламеняются, но после удале­ния источника огня их тление или горение прекращается. К та­ким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитан­ная антипиренами древесина.

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источ­ника огня. Это - древесина, обои, битуминозные кровельные и полимерные материалы и др.

Предел огнестойкости - это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают поте­рю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возник­новение в ней сквозных трещин, через которые на противопо­ложную поверхность могут проникать продукты горения и пла­мя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной действию огня, который может вызвать самопроизвольное воз­горание других частей сооружения.

• Огнеупорность - свойство материала выдерживать длитель­ное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и не размягчаясь.

Акустические свойства материалов.

Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отра­жает падающий на него звук — звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться, 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 материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падаю­щего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не от­ражаются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

Способность отражать звуковые волны важна для наружных ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения воздушных звуковых волн применяют массивные конструкции с гладкой наружной поверхностью.

Для внутренних помещений высокая отражающая способность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отражен­ные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном помещении. В данном случае применяют многослойные конст­рукции, в состав которых входят элементы из звукоизоляционных материалов, эффективность которых оценивается динами­ческим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных про­кладок применяют пористо-волокнистые материалы из мине­ральной или стеклянной ваты, древесных волокон (древесно­волокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.).

1.4.2.МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Прочностные свойства (прочность, твердость, истирае­мость, сопротивлением удару, износу).

Деформационными свойства (упругость, пластичность, хрупкость и ползучесть).

Изменение формы и размеров тела под действием внешних сил называется деформацией. При этом твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, прояв­ляя свойства упругости или пластичности.

Деформационные свойства Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

Все они могут быть обратимыми и необратимы­ми.

Деформации могут быть также сложными — упруго-пластическими или упруго-вязко-пластическими, если достаточно четко вы­ражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эласти­ческая и пластическая части. На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагруз­ки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему харак­теру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

• Упругость

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 (МПа) вычисляется из закона Гука:

Е=σ/ε

где — σ напряжение, МПа; ε — относительная деформация.

Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Так, модуль упругости каучука 10...20 МПа, а стали - 200 000 МПа это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.

• Пластичность

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличе­ния напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного периода времени под влиянием постоянных сило­вых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией пол­зучести, а процесс такого деформирования - ползучестью.

Деформационные свойства строительных материалов обу­словливаются периодом или временем релаксации.

• Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних на­пряжений в материале, связанных с молекулярным перемещени­ем, при условии, что начальная величина деформации зафиксирована и остается неизменной. Ха­рактер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например из упругой перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолеку­лярной структуры. Время или период релаксации определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго за­фиксированной деформации снизилась в е раз (е - основание натуральных логарифмов, равное 2,718...). Эта величина являет­ся важной характеристикой строительных материалов: чем она меньше, тем менее деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоян­ной величиной.

К упругим материалам относятся природные и искусствен­ные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным - битумы при положительных температурах, некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

При весьма малой продолжительности действия сил по срав­нению с величиной времени релаксации все материалы (тела) ведут себя как упруго-хрупкие и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности.

• Хрупкость

Хрупкому материалу в отличие от пластичного нельзя придать при прессовании желае­мую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается.

Хрупкими являются природные и искусст­венные камни, стекло, чугун и др. Приближенным значением меры хрупкости служит ψ = ε_у / ε_пред, и при ψ=1...0,8 разру­шение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

Во всяком теле, подверженном действию внешних сил, воз­никают внутренние силы. Это происходит вследствие деформа­ции твердого тела: атомы или ионы, образующие кристалличе­скую решетку, смещаются относительно своих положений рав­новесия, а силы связи между ними противодействуют этому смещению как внутренние силы.

Прочностные свойства

• Прочность

Мерой прочности материала является предел прочности - наибольшее напряже­ние, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой обра­зец материала разрушается.

В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность на сжатие, рас­тяжение, изгиб, скалывание (срез) (см.рис.).

Рис. . Схемы определения пределов прочности материалов: а - при сжатии; б - растяжении; в — изгибе; г — срезе

Физическая величи­на, которая характеризует интенсивность внутренних сил, при­ходящихся на единицу площади сечения, называется механиче­ским напряжением.

Для экспериментального определения предела прочности ма­териала используют образцы правильной геометрической фор­мы - кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры об­разцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, пра­вила обработки результатов выдерживаются в строгом соответ­ствии с требованиями стандарта.

Предел прочности при сжатии или растяжении R, Па, рас­считывают по формуле

R= F_разр/А

Где F_разр - разрушающая нагрузка, Н; А-площадь сечения до испытания, мм^2.

Предел прочности на сжатие определяют путем нагружения до разрушения стандартных образцов на специальных прессах (испытательных машинах).

Различные материалы характеризуются разным пределом прочности при сжатии: от 0,05 (пенополистирол) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь). Часто одни и те же материалы имеют неодинаковый предел прочности, и в зависимости от это­го их подразделяют на марки и сорта. Так, марки строительного раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см²) от 4 до 200, обычного бетона - от 100 до 600, керамического кирпича - от 75 до 300.

Прочность материала зависит от его структуры, пористости, влажности, дефектов строения, температуры, состояния поверх­ности и других факторов.

• Твердость

Твердость ряда строительных материалов (бетона, древесины, металлов, строительного рас­твора) определяют специальным прибором, вдавливая в них за­каленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В ре­зультате испытания вычисляют число твердости. Оно равно от­ношению силы вдавливания к площади поверхности отпечатка.

• Истираемость

Сопротивление материала истиранию определяют на круге истирания с подсыпанием абразивных порошков - наждака или кварцевого песка. Истираемость зависит от прочности и твердо­сти материала и важна для оценки эксплуатационных свойств материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.