Тема 1.3 Свойства материалов и изделий

Свойства бывают простые и сложные. Простое свойство – свойство, которое нельзя подразделить на другие (длина, вес и т.д.). Сложное свойство – свойство материала или изделия, которое может быть разделено на 2 и большее количество менее сложных и простых свойств (функциональность).

Интегральные качества – наиболее сложные свойства материала или изделия, определяемые совокупностью его качества и экономичности.

Комплексные свойства. К ним относятся долговечность, надёжность, совместимость, сопротивление коррозии и т.д.

С экологической позиции, строительные материалы, конструкции и изделия из этих материалов должны отвечать следующим требованиям:

·Монотеплопроводимость (обеспечение достаточного термического сопротивления);

·Иметь хорошую воздухопроницаемость и пористость;

·Быть не гигроскопичными и малозвукопроводимыми;

·Обеспечение прочности, огнестойкости, долговечности зданий и сооружений;

·Не выделять летучие и пахучие вещества, способные прямо или косвенно влиять на здоровье человека;

·Быть легкодезинфицируемыми;

·Иметь окраску и фактуру соответствующую физиологическим и эстетическим требованиям человека.

Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определённой стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию отдельного изделия и всего сооружения в целом.

Физические свойства

Физические свойства подразделяют на подвиды:

· общие физические – характеризующие структуру и массу материала;

· гидрофизические – характеризующие отношение материалов к действию воды, пара и газов;

· теплофизические – характеризующие отношение материалов к действию тепла и огня;

· акустические – характеризующие отношение материалов к действию звуковых колебаний.

Общие физические свойства

К общефизическим свойствам относятся: истинная плотность, средняя плотность и пористость материала.

Истинная плотность – масса единицы объёма вещества в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор, пустот и трещин.

ρ = , [кг/м³] (1.1)

где – ρ истинная плотность, кг/м³; m – масса, кг; – v_а объем, занимаемый веществом без пор, трещин и каверн, м³.

Истинная плотность большинства строительных материалов больше единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С). Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300 кг/м³; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 –1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м³.

Средняя плотность - масса единицы объёма материала (изделия) в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами

ρ _m = , [кг/м³] (1.2)

где – ρ _m средняя плотность, кг/м³; m – масса материала (изделия) в естественном состоянии, кг; v – объем материала (изделия) в естественном состоянии, м³.

Значения плотности данного материала в сухом ρ _m и влажном состоянии ρ _{m w} связаны соотношением:

ρ _{m w} = ρ _m (1+W _m /100), (1.3)

где: W _m – влажность материала по массе, %.

Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем определяют путём вычислений по измеренным геометрическим размерам; если же образец неправильной формы, – по объёму вытесненной жидкости (закон Архимеда).

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м³ (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м³ у тяжёлого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчётах транспортных средств, подъёмно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность лёгкого бетона – 500…1800 кг/м³, а его истинная плотность – 2600 кг/м³. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Насыпная плотность - масса единицы объёма сыпучих материалов в свободном насыпном состоянии, то есть без его уплотнения. За единицу объёма таких материалов принимают не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между зёрнами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объёму, называют межзерновой пустотностью. Этот показатель важен для сыпучих материалов с рыхлозернистой структурой: для песка, щебня, гравия, керамзита и других материалов, применяемых при изготовлении бетона, а также для зернистых теплоизоляционных материалов.

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м³ (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м³ у тяжёлого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчётах транспортных средств, подъёмно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал. Для пористых строительных материалов истинная плотность больше средней. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

ПористостьП - объёмная доля воздушных пустот в материале.

П= (1 - ρ _m / ρ)100,(1.4)

где ρ _m , ρ — средняя и истинная плотности материала (г/см³, кг/м³);

Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.

В зависимости от показателя пористости различают

· низкопористые (менее 30%),

· среднепористые (от 30% до 50%),

· высокопористые (более 50%) материалы.

Строение пористого материала характеризуется количеством и геометрическими размерами пор в виде капилляров (в форме трубочек) и ячеек (сферической формы).

Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в воду открытые поры полностью или частично заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может.

Характерные величины пористости (%) ряда материалов: пенопласты – 96, древесина – 65, бетон лёгкий – 60, кирпич керамический – 35, бетон тяжёлый – 10, гранит – 1, сталь - 0.

Большое влияние на свойства материалов оказывают не только величина пористости, но и размер пор, их характер. При увеличении объёма замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким, но в то же время он приобретает акустические свойства.

Гидрофизические свойства

Гидрофизические свойства проявляют материалы и изделия при контакте с водой и паром. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.

Увлажнение и насыщение водой оказывает большое влияние на многие важные эксплуатационные характеристики строительных материалов и изделий. В результате насыщения водой существенно изменяются их весовые характеристики, тепло- и электропроводность, линейные размеры и объём, физико-механические свойства.

В зависимости от вещественной природы материала способность материалов притягивать к своей поверхности молекулы воды различна. Материалы способные притягивать к своей поверхности воду называются гидрофильными (бетон, древесина, стекло, кирпич и другие); а отталкивающие воду – гидрофобными (битум, полимерные материалы).

Гигроскопичность- свойство материалов поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей наружной поверхности и внутренней поверхности пор.

При прочих равных условиях гигроскопичность материала зависит от характеристик его структуры и, прежде всего, от количества и характера пор и капилляров. Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, обладают, как правило, более высокой гигроскопичностью, чем крупнопористые. Повышенной гигроскопичностью обладают волокнистые органические материалы (древесина, войлок и т.д.).

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Оно подразделяется на водопоглощение по массе и объёму.

Водопоглощение по массе Wm, %, равно отношению массы поглощённой образцом воды к массе сухого образца.

Водопоглощение по объёму W_o, %, равно отношению массы поглощённой образцом воды к объёму образца.

Их определяют по следующим формулам:

(1.5)

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 объёму существует следующая зависимость:

Wo =Wm ρ m, (1.6)

где ρ m — 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.

Водостойкость материала характеризуется коэффициентом размягчения (К ) – отношением предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии.

К Rсж.нас. / Rсж.сух. (1.7)

Например, металлы и стекло сохраняют свою прочность при действии воды и их К = 1. Материалы с К < 0,8 не применяют в конструкциях, постоянно подверженных действию воды (фундаменты зданий, дамбы, плотины).

Влагоотдача - способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идёт высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдаёт воду быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре равной 20 °С.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением через свою толщу. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации К_Ф, м/ч, который равен количеству воды V_В в м³, проходящей через материал площадью S = 1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1 ч, при разности гидростатического давления = 1 м водного столба:

К_Ф = V_В a / [S (P₁ – P₂) t] (1.8)

Особенно важно это свойство при строительстве гидротехнических сооружений (дамбы, плотины, молы, мосты), резервуаров, возведении стен подвалов при наличии грунтовых вод. Коэффициент фильтрации непосредственно связан обратной зависимостью с водонепроницаемостью материала. Чем ниже, тем выше марка по водонепроницаемости.

Водонепроницаемость бетона и других материалов характеризуется маркой W2, W4...W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кг/см² (атмосферах), при котором образец не пропускает воду в условиях стандартных испытаний. Испытания проводят на специальной установке.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и, соответственно, без значительных потерь массы и прочности.

При замерзании вода увеличивается в объёме примерно на 9%, в результате возникает давление на стенки пор, которое может привести к разрушению материала. Понижению прочности также способствует перемещение (миграция) влаги по порам и капиллярам.

Морозостойкость характеризуется маркой (F15,F25…F300) - числом циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживает материал в условиях стандартного испытания. Материал считается морозостойким, если в результате испытания прочность его снизилась не более чем на 15-25%, а потери в массе не превышали 5%.

Для материалов, эксплуатируемых в условиях знакопеременных температур наружного воздуха, морозостойкость является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность (дорожные покрытия, бордюрные камни, стеновые материалы). Главными факторами, определяющими морозостойкость материала, являются показатели структуры, от которых зависят степень их насыщения водой и интенсивность образования льда в порах.

Влагостойкость (воздухостойкость)– способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Природные и искусственные хрупкие каменные материалы (бетон, керамика) и древесные материалы (доска, фанера), сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются вследствие возникновения растягивающих напряжений. В подобных условиях работают дорожные покрытия, надводные части гидротехнических сооружений.

Газо- и паропроницаемость –способность материала пропускать через свою толщу газы (воздух) или водяной пар.

При возникновении у противоположных поверхностей ограждения разности атмосферного давления происходит миграция воздуха через поры и трещины материала. Это явление эффективно до определённой степени, так как способствует дополнительному воздухообмену (вентиляции) и снижению влажности в помещении. При большой газопроницаемости материала ухудшаются теплозащитные качества стены. В зимнее время года внутри тёплых помещений в воздухе содержится значительно больше водяного пара, чем снаружи, и он стремится пройти через стену. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Повышение влажности материала способствует ухудшению теплозащитных свойств наружной ограждающей конструкции, быстрому разрушению материала особенно при действии мороза.

Для сохранения свойств ограждающих конструкций целесообразно создание условий, при которых она не будет «дышать». Особенно это относится к стенам помещений с повышенной эксплуатационной влажностью. С этой целью устраивают пароизоляционное покрытие на стене со стороны повышенного содержания водяного пара, используя следующие материалы: полиэтиленовую плёнку, рубероид, металлическую фольгу, глазурованную керамическую плитку, слой полимерной или масляной краски, а с противоположной стороны создают условия для газо- и паропроницания

Теплофизические свойства

К основным теплофизическим свойствам, оценивающим отношение материала к тепловым воздействиям, относятся теплопроводность, теплоёмкость, термостойкость, огнеупорность, огнестойкость.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство оценивается коэффициентом теплопроводности ( ), представляющим отношение количества теплоты, прошедшей в течение 1 ч через испытуемый материал толщиной 1 м, площадью1м ² при разнице температур на его противоположных поверхностях в 1° - Вт/м .

Теплопроводность материала зависит от вещественного состава, строения и характера пористости, температуры и влажности материала. Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор и влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность оказывает средняя плотность материалов.

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением.

Особенности структуры оказывают значительное влияние на теплопроводность. Например, если материал имеет волокнистое строение, то тепло вдоль волокон передаётся быстрее, чем поперёк. Так, теплопроводность древесины вдоль волокон равна 0.30, а поперёк – 0.15 Вт/м . Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые; материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Поэтому при расчёте конструкций коэффициент теплопроводности строительных материалов принимают для температурно-влажностных условий её эксплуатации.

Теплоёмкость – свойство материала поглощать (аккумулировать) при нагревании тепло и выделять его при остывании. При охлаждении материалы выделяют тепло, причём тем больше, чем выше их теплоёмкость. Коэффициент теплоёмкости по массе С m равен количеству тепла (Дж), необходимого для нагревания 1 кг материала на 1^oС:

с = Q / [m (t₂ – t₁)](1.9)

где: Q – количество тепла, кДж; m – масса материала, кг; (t₁ – t₂) – разность температур.

Удельная теплоёмкость каменных материалов составляет 755–925, лесных — 2420–2750 Дж/(кг *^oС). Наибольшую теплоёмкость имеет вода — 4900 Дж/(кг *^oС). Поэтому с повышением влажности материалов их теплоёмкость возрастает, а стальные конструкции требуют для нагрева меньшей энергии.

Теплоёмкость учитывается при расчёте теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.

Если строительный материал состоит из нескольких составных частей (например, бетон или строительный раствор), то коэффициент теплоёмкости такого материала рассчитывают как сумму произведений теплоёмкостей составляющих его компонентов на их весовую долю в материале.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур без деформаций и разрушения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, работающие без снижения свойств при температуре свыше 1580°С, тугоплавкие – 1580…1350 °С и легкоплавкие – ниже 1350 °С.

Огнестойкость конструкций – свойство конструкции сопротивляться действию огня и воды при пожаре в течение определённого времени. Ко всем конструкциям, используемым в строительстве, и особенно к тем, из которых выполняют несущие элементы здания: стены, колонны, перекрытия, – предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания и сооружения по пожаробезопасности, определяемой СНиПом. Для оценки огнестойкости введён показатель возгораемости, основанный на трёх признаках предельного состояния конструкций: потере несущей способности (снижение прочности и увеличение деформаций), теплоизолирующих свойств и сплошности.

Предел огнестойкости конструкций и материалов характеризуется временем (ч) с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния.

Огнестойкость (возгораемость) строительных материалов подразделяется на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы не горят, не тлеют и не обугливаются. Это каменные материалы, металлы.

Трудносгораемые – материалы, которые под действием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (фибролит, состоящий из древесных стружек и цементного камня, асфальтобетон, некоторые полимерные материалы).

Сгораемые – материалы, которые при контакте с огнём загораются и горят открытым пламенем даже в случае ликвидации источника огня (древесина, битум, полимерные материалы).

Акустические свойства

При действии звука на материал проявляются его акустические свойства. По назначению акустические материалы делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирующие, виброизолирующие и вибропоглощающие.

Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Основной акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощённой материалом звуковой энергии к общему количеству падающей на поверхность материала в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звукопоглощения больше 0,2. Эти материалы обладают открытой пористостью или имеют шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук.

Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Оценку эффективности звукоизоляционных материалов проводят по двум основным показателям: динамическому модулю упругости и относительной сжимаемости (%) под нагрузкой.

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы предназначены для устранения передачи вибрации от машин и механизмов на строительные конструкции зданий.