Гидрофизические свойства

Гигроскопичность – свойство капиллярно-пористого материала поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. Одни материалы энергично притягивают своей поверхностью молекулы воды (их называют гидрофильными), другие отталкивают их (их относят к гидрофобным). Последние стойко сопротивляются действию водной среды. Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, оказываются более гигроскопичными, чем крупнопористые.

Гигроскопичность, как правило, приводит к ухудшению технических свойств строительных материалов. С ней связано снижение активности (прочности) цемента и других минеральных вяжущих веществ за счет протекающих реакций сорбции паров воды, капиллярной конденсации и химического взаимодействия впитанной влаги с вяжущими. При гигроскопическом увлажнении ухудшаются теплозащитные свойства теплоизоляционных и стеновых материалов, снижается их прочность.

Гигроскопическая влагоемкость достигает (%): для сосны – 14, пено- и шлакобетона – 3, пеностекла – 1,3.

Капиллярное увлажнение – свойство капиллярно-пористого материала впитывать (поглощать) воду (жидкость) при непосредственном соприкосновении (контакте) с ней за счет сил поверхностного натяжения, возникающих на границе раздела твердой и жидкой фаз. Этот показатель характеризуется интенсивностью всасывания, количеством поглощенной воды (жидкости) или высотой поднятия уровня (h) воды (жидкости):

где s – поверхность натяжения воды (жидкости); j – краевой угол смачивания; r – радиус капилляра; g – ускорение свободного падения.

Для гидрофобных материалов (битума, полимеров) j > 90°; cos j < 0; ho < 0, т.е. капиллярного всасывания не происходит. Явление капиллярного увлажнения необходимо учитывать при выборе и монтаже материалов для фундаментов, стен и др. Прежде всего, следует предусматривать гидрофобизацию таких материалов.

Влажность (W) – содержание воды в материале, отнесенное к массе материала в сухом состоянии. Этот показательзависит от влажности окружающей среды и структуры материала. Для оценки влажности пользуются показателем влажности (W) – отношением количества влаги, содержащейся в материале, к массе материала в сухом состоянии, выраженным в процентах:

где m₁ и m₂ – масса образца материала соответственно сухого и влажного, г.

Влажность учитывают при транспортировке, хранении и приемке материалов. Она влияет на теплопроводность, устойчивость к гниению и другие свойства материала.

Водопоглощение (W_m, W_v) – способность материала поглощать (впитывать) воду и удерживать ее в своих порах. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и абсолютно сухом состоянии. Различают объемное водопоглощение (W_v), когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение (W_m ), когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему и по массе выражают в процентах и вычисляют по формулам:

где m_c и m_в – масса материала соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии, г; V_e – естественный объем материала в сухом состоянии, см³. W_v нe может превышать 100 %, a W_m для высокопористых материалов – может. Например, W_m керамических плиток для пола – не выше 4 %, керамического кирпича – 8...20 %, тяже­лого бетона – 2...3 %, газобетона – 60...70 %, минераловатных плит – более 100 %.

Насыщение материала водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличиваются средняя плотность и теплопроводность, понижается прочность.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность после насыщения водой.

Этот показатель характеризуется величиной коэффициента размягчения (К_р), который равен отношению прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии (R_в) к прочности сухого материала (R_c): К_р= R_в/ R_с.

Показатель К_р колеблется от 0 (необожженные глиняные материалы) до 1 (стекло, сталь, битум).

Материалы с К_р не менее 0,8 относят к водостойким (кирпич, бетон).

Влагоотдача – свойство материала отдавать влагу окружающей среде (воздуху), характеризуемое количеством воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20 °С.

Величина влагоотдачи имеет большое значение для многих материалов и изделий, например для стеновых панелей и блоков, мокрой штукатурки стен, которые в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря влагоотдаче высыхают. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т.е. пока материал не достигнет воздушно – сухого состояния.

Водопроницаемость – способность материала пропускать через свою толщу воду под давлением. Этот показатель характеризуется коэффициентом водопроницаемости (К_в), который равен количеству воды (V_в), прошедшей в течение одного часа через образец материала площадью (S) и толщиной (а) при разности давлений (р₁-р₂) на граничных поверхностях материала:

Марка по водопроницаемости (W_n) обозначает одностороннее гидростатическое давление, при котором образец не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Материалу присваиваются следующие марки по водопроницаемости: W₂, W₄, W₆, W₈, W₁₂. Цифра указывает величину гидростатического давления в атмосферах. Чем ниже коэффициент водопроницаемости (К_в), тем выше марка по водопроницаемости (W_n). Водопроницаемость необходимо учитывать при выборе материалов для гидротехнического строительства, устройства резервуаров. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (гидротехнический бетон специально подобранного состава). Высокой водонепроницаемостью отличаются гидроизоляционные, антикоррозионные и герметизирующие материалы.

Влажностные деформации – свойство пористых материалов изменять размеры (объем) при изменении его влажности. При насыщении материала водой происходит его набухание, а при сушке – усадка. Например, величина усадки составляет (мм/м): для древесины поперек волокон – 30...100; для ячеистого бетона – 1...3; для кирпича – 0,3...0,7. Чередование увлажнения и высыхания пористого материала сопровождается попеременными деформациями набухания и усадки. Такие деформации наиболее характерны для конструкции из дерева и на основе древесных отходов (ДСП, ДВП, арболит). Влажностные деформации учитывают для назначения допусков при монтаже изделий.

Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание с допустимой потерей прочности не более 25 % и массы не более 5 %.

Замерзание воды, заполняющей поры материалов, сопровождается увеличением ее объема примерно на 9 %, в результате чего возникает давление на стенки пор, приводящее к разрушению материала. Если образцы материала после испытания на морозостойкость не имеют следов разрушения, то ее степень устанавливают по коэффициенту морозостойкости К_р= R_b/R_f, где R_b, R_f – прочность при сжатии образцов соответственно в насыщенном водой состоянии и после испытания на морозостойкость. При К_р > 0,75 материал признается морозостойким.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой, измеряемой в циклах попеременного замораживания и оттаивания (F). Испытания проводятся путем переменного увлажнения материала в ванне с водой комнатной температуры и замораживания в холодильной камере при температуре от – 15 °С до – 20 °С.

Один – два цикла замораживания в лабораторных условиях дают эффект, близкий к 3...5-годичному атмосферному (погодному) воздействию.

Существует также ускоренный метод испытания, по которому образцы погружают в насыщенный раствор Na₂ SO₄ и затем высушивают при температуре 10...110 °С, при этом в порах материала образуются кристаллы Na₂SO₄-5H₂O со значительным увеличением в объеме. Один цикл такого испытания приравнивается к 5...10 циклам прямых испытаний замораживанием. К строительным материалам в зависимости от вида конструкции и характера работы сооружения предъявляют различные требования по морозостойкости. Так, марки по морозостойкости должны составлять: для стеновых материалов – F15, F25, F35; для дорожных F50, F100, F200; для гидротехнических бетонов – F до 500.

Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных деформаций и потери механической прочности. Испытанию на воздухостойкость должны подвергаться материалы, применяемые для цокольной части зданий, для устройства кровель, бетонов переменного уровня гидротехнических сооружений и др. [15, 37].