Физические свойства строительных материалов

Большинство строительных материалов — это пористые тела. Поры занимают лишь часть объема тела, остальное приходится на твердую фазу.

Плотность и пористость изменяются в широких пределах и оказывают тем самым значительное влияние на свойства. С повышением плотности возрастает и прочность материала. С другой стороны, чем меньше плотность, тем легче становится конструкция. Воздух, находящийся в порах, обладает малой теплопроводностью, и чем выше пористость материала, тем лучше его теплоизолирующие свойства. Поэтому стремятся получить теплоизоляционные материалы с возможно более низкими значениями рт (не более 600кг/м3).

Свойства материала зависят не только от суммарного объема пор. Большое значение имеет характер пористости. Различают открытые и замкнутые поры. Открытые поры сообщаются между собой и выходят на поверхность материала. Поэтому материал с открытыми порами легко насыщается водой. В увлажненном состоянии он начинает хорошо проводить теплоту, так как воздух в порах замещается водой, теплопроводность которой в 25 раз больше. Строительные материалы, обладающие преимущественно открытой пористостью, плохо сопротивляются физическим и химическим коррозионным воздействиям.

В некоторых случаях открытую пористость формируют в структуре материала умышленно. Это относится, например, к звукопоглощающим изделиям, дренажным трубам из керамики или керамзитобетона.

Размеры пор также различны: от нескольких миллиметров до микрометра и менее. В теплоизоляционных материалах стараются формировать поры минимального размера. При этом теплопередача через толщу материала сокращается из-за уменьшения конвекции и лучеиспускания. В гидротехническом бетоне, подвергаемом напорному воздействию воды, также должны содержаться преимущественно мелкие поры, поскольку при диаметре пор менее 1 мкм не происходит фильтрации воды через тело бетона.

Замкнутые поры, не насыщающиеся водой, и полузамкнутые, в которые вода проникает только под давлением, повышают стойкость материала.

По физическому смыслу понятия пустотность и пористость аналогичны. При изготовлении бетона и строительного раствора стремятся использовать сыпучие заполнители — песок, щебень или гравий с минимальной пустотностью. В этом случае для заполнения пустот потребуется меньше цемента и бетон будет дешевле.

Активность тонких порошков, например цемента, зависит от размера частиц: чем меньше частицы, тем активнее цемент. К обобщенной характеристике физического состояния порошков относится удельная поверхность, которая представляет собой отношение суммарной площади поверхности всех частиц к массе частиц или занимаемому ими объему.

Таким образом, чем тоньше частицы, тем больше удельная поверхность порошка. Увеличивая ее, получают специальные виды портландцемента, например быстротвердеющий.

Очень часто в процессе эксплуатации строительные конструкции увлажняются и свойства материала изменяются. Чтобы получить численные характеристики свойств материала, подвергающегося действию влаги, используют следующие понятия. Водопоглощение характеризует способность пористого материала впитывать и удерживать в порах капельно-жидкую влагу. Данное свойство отражает максимальное количество влаги, которое может поглотить материал, поэтому его иногда называют максимальной влагоемкостью. К численным характеристикам относятся водопоглощение по массе и водопоглощение по объему. Водопоглощение по массе равно отношению массы воды, полностью насыщающей материал, к массе сухого материала.

Водопоглощение по массе легко определить опытным путем. Для этого взвешивают пробу сухого материала т, затем полностью насыщают его водой и определяют массу в водонасыщенном состоянии тн. Разность тн — т равна массе поглощенной воды тъя. Водопоглощение различных материалов, которое зависит от характера пористости, может изменяться в широких пределах. Значения WM составляют для гранита 0,02. 0,7 %, тяжелого бетона — 2. 4, кирпича — 8. 20, легких теплоизоляционных материалов с открытой пористостью — 100% и более. Водопоглощение по объему никогда не превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

Величины WM и W0 характеризуют предельный случай, при котором материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных конструкциях материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельно-жидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных паров из воздуха. В этом случае состояние материала характеризуют влажностью.

Увлажнение приводит к изменению многих свойств материала. Повышается вес строительной конструкции, возрастает теплопроводность. В реальном материале всегда есть множество дефектов структуры, среди которых наиболее опасны микротрещины. Вода обладает расклинивающим действием и, попадая в микротрещины, увеличивает их протяженность. В результате возрастает доля дефектов в структуре, что сказывается на прочности материала.

У наиболее водостойких материалов — гранита, тяжелого бетона — значения кв приближаются к единице, у неводостойких — строительного картона, необожженной глины — они близки к нулю.

Под действием влаги пористые материалы набухают. При высыхании происходит обратный процесс — усадка. Оба эти процесса, которые протекают в объеме конструкции неравномерно, вызывают значительные структурные напряжения в материале. В результате при набухании изделие или конструкция могут покоробиться, а при усадке в материале — возникнуть трещины. Относительные деформации усадки строительного раствора достигают 0,5. 1 мм/м, бетона — 0,3. 0,7 мм/м. Для уменьшения усадочных деформаций природные материалы пропитывают специальными веществами, у композиционных искусственных материалов, например бетона, регулируют состав.

Морозостойкостью называют способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Марка по морозостойкости F обозначает наибольшее число циклов замораживания — оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 % (для некоторых материалов 25 %); потеря массы при этом не должна превышать 5 %.

В наружных конструкциях, подверженных действию воды и переменных температур, морозостойкость является определяющим фактором долговечности. Проектную марку материалов по морозостойкости устанавливают с учетом вида и условий эксплуатации конструкции, а также климата. Например, для возведения наружных стен употребляют легкий бетон и керамический кирпич марок по морозостойкости F15, F25 и F35. Дорожный бетон, работающий в более тяжелых условиях, изготовляют марок F50. F200, а гидротехнический — до F500.

Метод оценки морозостойкости каменных материалов путем многократного замораживания и оттаивания образцов, предложенный профессором Петербургского института инженеров путей сообщения Н. А. Белелюбским, был принят в 1886 г. на Международной конференции по испытанию материалов. Этот метод применяют и сейчас во всех странах.

Для испытания на морозостойкость стандартные образцы материалов или целые мелкоштучные изделия (например, кирпич) вначале насыщают водой. После этого их замораживают при температуре от —15 до —20 С. Затем образцы извлекают из морозильной камеры и оттаивают в воде комнатной температуры. Такое замораживание и оттаивание составляет один цикл испытания. С увеличением числа циклов в структуре материала происходят необратимые изменения, которые приводят к падению прочности.

Строительные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются постоянному или переменному тепловому воздействию. Для характеристики свойств материала в этом случае используют понятия теплопроводности, теплоемкости, термического расширения, огнеупорности и огнестойкости.

Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту при перепаде температур на противоположных поверхностях конструкции. Количество теплоты Q, проходящей через ограждающую поверхность, например через стену, зависит от площади поверхности, перепада температуры, толщины стены, длительности прохождения теплового потока, а также от некоторого коэффициента X, характеризующего специфические свойства материала.

Конструкционные материалы — тяжелый бетон, металлы — отличаются значительно большей теплопроводностью.

Теплоемкостью называют свойство материала поглощать теплоту при нагреве либо отдавать при остывании. Она характеризуется удельной теплоемкостью, равной количеству теплоты (кДж), необходимой для нагрева 1 кг материала на один градус. Удельная теплоемкость неорганических строительных материалов находится в пределах от 0,4 до 1 кДж(кг • К), сухой древесины — 1,7. 2 кДж. У воды наибольшая теплоемкость — 4,2 кДж, поэтому при увлажнении материалов их теплоемкость возрастает. Численные характеристики теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения с надо знать для расчета затрат топлива и энергии на обогрев материалов и конструкций при зимних работах.

Термическое расширение характеризует свойство материала изменять размеры – при нагреве. За немногими исключениями строительные материалы при этом расширяются. Для численной характеристики такого явления используют температурный коэффициент линейного расширения, равный относительному удлинению материала при нагреве его на один градус.

Вследствие термического расширения деформации материала в конструкции достигают значительных величин, поэтому в сооружениях большой протяженности во избежание растрескивания предусматривают деформационные швы.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорными считают материалы, выдерживающие температуру более 1580 °С. Материалы, работающие в температурном интервале 1350. 1580 °С, называют тугоплавкими, а при температуре менее 1350 °С — легкоплавкими. Огнестойкость — свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре. Основная характеристика строительных конструкций в условиях пожара — степень огнестойкости, которая зависит от сгораемости материала и предела огнестойкости конструкции.

Сгораемость — это способность материала воспламеняться и гореть. Материалы бывают несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К ним относятся такие неорганические материалы, как, например, бетон и сталь.

Трудносгораемые материалы воспламеняются, тлеют или обугливаются лишь в присутствии источника зажигания. После удаления огня горение или тление прекращается. В эту группу входят, в частности, асфальтобетон, самозатухающий пенопласт, древесина, пропитанная специальными веществами — антипиренами.

Сгораемые материалы продолжают гореть или тлеть даже после удаления источника зажигания, т. е. способны к самостоятельному горению в атмосфере нормального состава. К ним относят органические материалы: древесину, строительные пластмассы, битуминозные кровельные и гидроизоляционные 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; недопускаемый нагрев противоположной действию огня поверхности, который может вызвать самопроизвольное возгорание других частей сооружения.

Ошибочно полагают, что для изготовления огнестойкой конструкции достаточно лишь применить несгораемый материал. Это условие необходимо, но оно недостаточно. Некоторые несгораемые материалы (гранит, асбестоцемент) при пожаре растрескиваются, металлические конструкции сильно деформируются. Их приходится защищать более огнестойкими материалами.