Теплофизические свойства

Основные свойства строительных материалов

Классификация свойств строительных материалов:

─ физические свойства характеризуют состояния материалов и их отношение к различным физическим воздействиям (температуры, огня, воды и т.д.);

─ механические свойствахарактеризуют способность материала сопротивляться воздействию внешних сил;

─ химические свойства характеризуют способность материала к химическим превращениям под действием различных химических реагентов;

─ технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться обработке в процессе изготовления (удобоукладываемость бетонной смеси, способность металла свариваться, ковка, прокатка, способность древесины склеиваться
и т.д.);

─ эксплуатационные свойства характеризуют способность материала эксплуатироваться в заданных условиях (долговечность, надежность, работоспособность и т.д.)

Физические свойства

─ параметры состояния (плотность истинная, средняя, насыпная, относительная, коэффициент плотности, пористость общая, открытая, закрытая);

─ гидрофизические свойства ─ характеризуют отношение материала к воде (водостойкость, водопоглощение, водопроницаемость, водонепроницаемость, морозостойкость и т.д.);

─ теплофизические свойства ─ характеризуют отношение материала к воздействию температур (теплопроводность, огнестойкость, огнеупорность, теплоемкость и т.д.)

Параметры состояния

─ истинная плотность ─ масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (т.е. без пор, пустот, включений).

, г/см³, кг/литр, т/м³.

Истинная плотность ─ предел отношения массы к объему, когда объем стягивается к точке, в которой определяется плотность тела.

─ средняя плотность ─ масса единицы объема материала
в естественном состоянии с учетом пор, пустот и включений других материалов.

, г/см³, кг/литр, т/м³.

─ насыпная плотность ─ массы единицы объема материала в сыпучем состоянии (определяется для сыпучих, зернистых
и порошкообразных материалов).

, г/см³, кг/литр, т/м³.

─ относительная плотность ─ отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях (стандартное вещество ─ вода).

где ρ₀ ─ плотность стандартного вещества (воды).

─ коэффициент плотности ─ (характеризует пористость) степень заполнения материала самим материалом.

Изменяется от 0 до 1. Чем ближе к 1 тем материал более плотный.

─ общая пористость ─ степень заполнения материала порами.

─ открытая пористость ─ пористость, доступная для воды.

где m_нас ─ масса образца в насыщенном водой состоянии; m_сух ─ масса сухого образца; V_ест ─ объем образца в естественном состоянии.

─ закрытая пористость ─ пористость, не доступная для воды.

П_закр = П_общ ─ П_откр

Гидрофизические свойства

─ водостойкость ─ способность материала не разрушаться в насыщенном водой состоянии (характеризуется коэффициентом размягчения)

где R_нас ─ предел прочности материала в насыщенном водой состоянии;

R_сух ─ предел прочности материала в сухом состоянии.

Вода, попадая в межмолекулярное пространство материала, снижает связи между молекулами и вследствие этого происходит снижение прочности материала в насыщенном водой состоянии.

Если , то материал считается не водостойким.

─ водопоглощение ─ способность материала поглощать и удерживать в себе воду.

Различают водопоглощение по массе и объему, измеряется в процентах.

;

;

В_о = В_mρ_ср.

─ водопроницаемость ─ способность материала пропускать воду через свою толщу под давлением (характеризуется коэффициентом фильтрации (м/сут) и коэффициентом проницаемости (м²)).

─ водонепроницаемость ─ способность материала не пропускать через свою толщу воду под давлением (характеризуется маркой по водонепроницаемости, обозначающей одностороннее гидростатическое давление (в атмосферах) при котором испытываемый образец не пропускает через себя воду в условиях стандартных испытаний W2, W4, W6, до W20)

─ морозостойкость─ способность материала в насыщенном водой состоянии не разрушаться в результате многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Замораживание производят при ─20 ºС, оттаивание в воде при комнатной температуре.

Морозостойкость характеризуется маркой по морозостойкости. Марка по морозостойкости ─ это максимальное количество циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает образец без снижения прочности на сжатие более 15 %, а потеря массы при этом составляет не более 5 %.

Морозостойкость также характеризуется коэффициентом по морозостойкости.

где R_мрз ─ предел прочности материала на сжатие прошедшего испытание на морозостойкость;

R_нас ─ предел прочности материала на сжатие, в насыщенном водой состоянии.

Существую марки по морозостойкости: F15─F1000.

Теплофизические свойства

─ теплопроводность ─ способность материала проводить тепло через свою толщу при разности температур на поверхностях.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, самый не теплопроводный материал ─ воздух.

λ_{воздуха} = 0,023 ВТ/мºС;

λ_воды = 0,58 ВТ/мºС;

λ_льда = 2,3 ВТ/мºС.

На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала. Для этого существует формула Некрасова:

,

где – относительная плотность: .

Точное значение теплопроводности материалов определяется экспериментально.

Для уменьшения теплопроводности следует увеличить величину закрытой пористости.

Вода, попадая в открытые поры материала, увеличивает теплопроводность в 25 раз. При замерзании воды теплопроводность увеличивается еще больше.

Все теплоизолирующие материалы необходимо гидроизолировать.

При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает, кроме металлов.

─ огнестойкость ─ способность материала выдерживать воздействие открытого огня.

По огнестойкости материалы подразделяют:

─ несгораемые материалы ─ материалы, которые при воздействии огня не горят не тлеют и не обугливаются (цементные бетоны, кирпич, металл и т.д.);

─ трудносгораемые материалы ─ материалы, которые при воздействии открытого огня горят тлеют и обугливаются, а при прекращении воздействия перестают гореть и тлеть (асфальтовый бетон, пропитанная антипиренами древесина, некоторые пластмассы и т.д.);

─ сгораемые материалы ─ материалы, которые при воздействии открытого огня горят и при прекращении воздействия продолжают гореть (все органические материалы).

─ огнеупорность ─ способность материала выдерживать воздействие высоких температур, не расплавляясь.

По огнеупорности материалы подразделяют:

─ огнеупорные ─ материалы, которые длительное время выдерживают температуру ≥ 1580 ºС (кремнеземистые огнеупоры, магнезиальные огнеупоры и т.д.);

─ тугоплавкие ─ материалы, которые длительное время выдерживают температуру от 1350 до 1580 ºС (гжельский кирпич, жесть);

─ легкоплавкие ─ материалы, которые длительное время выдерживают температуру менее 1350 ºС (обычный глиняный кирпич).

─ теплоемкость ─ способность материала поглощать определенное количество тепла при нагревании.

Механические свойства материалов

Механические свойства материалов можно разделить на три группы:

1.Прочностные;

2.Деформационные;

3.Склерометрические.

Прочностные свойства

При эксплуатации строительные материалы и конструкции подвергаются воздействиям, и испытывают при этом, в основном, сжимающие и изгибающие напряжения.

Прочность – это способность материала не разрушаться от возникающих внутренних напряжений при воздействии внешней нагрузки. Прочность характеризуется пределом прочности.

Предел прочности – это максимальные внутренние напряжения, которые материал может выдержать:

Предел прочности на сжатие:

, Н/м², Па, МПа, кг/см²,

где – внешняя разрушающая нагрузка; – площадь передачи нагрузки.

Существуют марки по прочности. Кирпич глиняный обыкновенный: М75 (цифрой обозначается величина внутренних напряжений (в кг/см²), которые материал выдерживает не разрушаясь).

Предел прочности на изгиб:

, Н/м², Па, МПа, кг/см²,

где – пролёт балки; – ширины балки; – высота балки.

На прочность влияют:

1.Строение материала;

2.Структура вещества;

3.Количество пор.

Коэффициент конструктивного качества ( ) , характеризует конструкционные свойства материалов:

,

где – предел прочности на сжатие; – относительная плотность.

Высокий коэффициент конструктивного качества имеют материалы, которые при высокой прочности обладают малой плотностью.

─ стеклопластик ─ 225 МПа;

─ сосна ─ 217 МПа;

─ высокопрочная сталь ─ 127 МПа;

─ тяжелый бетон ─ 17 МПа;

─ кирпич ─ 7МПа.

Деформационные свойства

Упругость – способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия внешней нагрузки. В материале при воздействии внешних нагрузок возникают упругие (обратимые) деформации (резина, каучук).

Пластичность – это способность материала изменять форму и размеры, не разрушаясь, причём материал не может после снятия нагрузки восстанавливать первоначальную форму и размеры, т. е. в материале остаётся пластическая (необратимая) остаточная деформация.

Особенность пластических деформаций – способность
к суммированию (накоплению): асфальтовый бетон, глины.

Хрупкость – это способность материала разрушаться без видимых деформаций. К таким материалам относят бетон, кирпич, стекло. Чем больше прочность материала, тем разрушение происходит более интенсивно.

Склерометрические свойства

1.Твёрдость;

2.Истираемость;

3.Износ.

Твёрдость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. Твёрдость природных каменных материалов оценивается по шкале Мооса: от 1 ─ тальк, 5 – 7 ─ стекло, 9 ─ корунд и 10 ─ алмаз.

Истираемость – способность материала уменьшаться в массе при воздействии истирающих усилий:

,

где – истираемость; – масса до испытания; – масса после испытания; – площадь испытуемого материала.

Износ – это способность материала сопротивляться одновременному воздействию истирающих и ударных нагрузок.

Природные каменные материалы

Природные (естественные) каменные материалы и изделия получают из горных пород, подвергая их механической обработке (дроблению, раскалыванию, распиливанию, теске, шлифовке, полировке).

Для строительства используют как рыхлые (песок, гравий, глины), так и массивные горные породы (граниты, известняки, песчаники и др.)

Горные породы служат основным сырьем для получения:

─ каменных материалов различной степени обработки:
а) грубой обработки (бутовый камень, щебень) и б) изделий более тщательной механической обработки (пиленные и тесанные плиты; фасадные детали для облицовки зданий и сооружений; пиленные, тесанные и колотые камни правильной формы; ступени, кровельные плитки и др.);

─ вяжущих веществ и искусственных каменных материалов, получаемых обжигом или термохимической обработкой горных пород, например, обжигом глин (кирпич), известняков (известь), смеси известняков и глин (цемент) и т. д.

Материалы и изделия из природного камня имеют в нашем строительстве самое разнообразное применение.

Легкие (пористые) породы используют в виде камней правильной формы для кладки стен зданий (взамен кирпича) и в дробленом виде (щебень) для изготовления легких бетонов.

Тяжелые (плотные) породы применяют в виде бутового камня для фундаментов и стен неотапливаемых зданий, а щебень из них ─ для изготовления тяжелых бетонов.

Штучные (пиленные, тесанные, шлифованные, а иногда
и полированные) изделия применяют в качестве облицовочных материалов. Применение таких материалов дает возможность получать атмосферостойкие и одновременно декоративные наружные облицовки.

Минерал – однородное природное химическое соединение, обладающее определённой структурой и свойствами. Всего насчитывается более 2000 минералов. В большинстве случаев минералы – твёрдые тела.

Минералы различают по химическому составу и делят на 4 группы:

1.Группа кварца ( ) – силикаты;

2.Глинозёмы ( ); – алюмосиликаты;

3.Карбонаты ( ; ; );

4.Сульфаты ( ).

Горная порода – минеральная масса, состоящая из одного или нескольких минералов.

Горные породы делят на 2 группы:

1.Мономинеральные (гипс, ангидрит, известняк и т.д.);

2.Полиминеральные (доломит, гранит и т.д.).

Генетическая классификация горных пород

1.Магматические (изверженные) горные породы – горные породы, образованные в результате кристаллизации магмы: интрузивные и эффузивные;

2.Осадочные горные породы – горные породы, образованные из продуктов разложения других пород;

3.Метаморфические горные породы являются продуктом перекристаллизации и приспособления пород к изменениям окружающей среды.

Магматические горные породы:

а) Интрузивные: образуются, когда магма не вышла на поверхность. Магма медленно начала остывать под верхними слоями земной коры, при этом образовались плотные полнокристаллические горные породы, имеющие очень высокую плотность, маленькую водопроницаемость, высокую морозостойкость, т. е. обладают улучшенным комплексом всех свойств (гранит, диорит, габбро);

б) Эффузивные: образовались из расплавленной магмы, вышедшей на поверхность земли, при этом охлаждение магмы происходило быстро, поэтому образовались мелкие кристаллы с дефектами и искажениями. Такие горные породы имеют несколько большую по сравнению с интрузивными пористость, малую плотность, низкую водо- и морозостойкость (диабазы, базальты, андезиты).

Осадочные горные породы:

а) Обломочные горные породы образовались в результате переноса и уплотнения тех масс и отложений, которые создаются выветриванием и воздействием воды (гравий, песок, суглинки, супеси, сцементированные песчаники). Применяют чаще всего как заполнитель в бетоны, а также в качестве сырья для производства вяжущих;

б) Химические горные породы образовались в результате выпадения в осадок каких либо веществ из насыщенных и пересыщенных растворов (гипс, ангидрит, магнезит, известковые туфы). Применяют для изготовления вяжущих и отделочных материалов;

в) Биологические (органогенные) горные породы образовались в результате накопления осадков на дне рек, морей, озёр из продуктов жизнедеятельности организмов (ракушечники, диатомиты, известняк). Применяют как отделочные материалы и для изготовления вяжущих веществ.

Для осадочных горных пород характерным свойством является слоистость, они имеют меньшую плотность, малую водо- и морозостойкость, большие теплоизолирующие способности (в сравнении с магматическими).

Метаморфические горные породы образовались в результате вторичного воздействия на изверженные и осадочные горные породы высокого давления и температур (из изверженных образовались гнейсы, из осадочных – мраморы и кварциты). Применяют в качестве вяжущих и как отделочные материалы.

Добыча и переработка природных каменных материалов

Добыча природных каменных материалов осуществляется открытым способом в карьерах и включает следующие этапы:

1.Отделение монолитов от массива;

2.Разделка монолитов на глыбы;

3.Распиловка на плиты необходимого размера;

4.Сортировка готовой продукции;

5.Транспортирование потребителю или на склад.

Все природные каменные материалы делят на 2 большие группы:

1.Не обработанные в заводских условиях:

а) бутовый камень – куски размером более 300 мм неправильной формы (рваный бут), добываемый при взрывных работах, или же неправильные плиты (постелистый бут и плитняк), получаемые выломкой из слоистых пород (главным образом из известняков и песчаников). Бутовый камень получают также в виде отходов при распиловке ракушечников, туфов и тому подобных пород. Применяется для бутовой и бутобетонной кладки фундаментов и подпорных стенок;

б) булыжный камень – валуны размером до 300 мм. Применяют для покрытия мостовых дорог, дворов;

в) гравий – это окатанный природный щебень получаемый без обработки путем просеивания рыхлых горных пород (иногда
с промывкой или частичным дроблением излишне крупных кусков). Применяют для изготовления бетонов и оснований дорог;

г) песок – рыхлая горная порода с размером зёрен от 0,16 до 5 мм. Применяют в качестве заполнителя для растворов и бетонов.

2.Обработанные в заводских условиях:

а) плиты пиленые и тёсанные. Применяют для отделки зданий;

б) природный шифер (кровельные плитки) – очень тяжёлый, но один из самых долговечных материалов;

в) бортовые камни (бордюры ─ самые долговечные) – камни используемые для мощения дорог;

г) щебень ─ куски размером от 5 до 150 мм, образующиеся при дроблении бутового камня; встречается также природный щебень (дресва), но он применяется сравнительно редко. Применяют в качестве крупного заполнителя для цементных и асфальтовых бетонов (лучший заполнитель).