Физические свойства

Физические свойства определяют физическое состояние материала. К ним относят характеристику структуры и массы, отношение материала к воздействию воды, тепла, огня, радиационную стойкость.

Истинная плотность р _и– масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор. Вычисляется она в кг/м³, кг/дм³, г/см³ по формуле

, (1.1)

где т – масса материала, кг, г;

V_a – объем материала в абсолютно плотном состоянии, м³, дм³, см³.

Средняя плотность р _с– масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Она может быть плотностью сухого материала, материала в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в ГОСТе. Среднюю плотность (в кг/м³, кг/дм³, г/см³) вычисляют по формуле

, (1.2)

где т – масса материала, кг, г;

V – объем материала, м³, дм³, см³.

Среднюю плотность сыпучих материалов – щебня, гравия, песка, цемента и других называют насыпной плотностью. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.

Средняя плотность большинства материалов обычно меньше истинной их плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.

Относительная плотность d – отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4 °С, имеющая плотность 1000 кг/м³. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле

. (1.3)

Пористость П – степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в процентах по формуле

, (1.4)

где р _с, р _и– средняя и истинная плотности материала.

Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90 %.

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость). Истинная, средняя плотности и пористость материалов – взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопро-водность, морозостойкость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в табл. 1.1.

Влажность W – содержание воды в материале в данный момент. Определяется отношением воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется в процентах по формуле

W = (m _вл – m _c ) / m _c ∙ 100, (1.5)

где m _вл, m _c – масса влажного и сухого материала, г.

Т а б л и ц а 1.1. Физические свойства материалов

Наименование материала	Плотность, г/см3	Пористость, %	Теплопроводность, Вт/(м ∙ °С)
истинная	средняя
Гранит	2,70	2,50	7,4	2,80
Вулканический туф	2,70	1,40	52,0	0,50
Керамический кирпич: обыкновенный пустотелый	2,65 2,65	1,80 1,30	32,0 51,0	0,80 0,55
Бетон: тяжелый легкий ячеистый	2,60 2,60 2,60	2,40 1,00 0,50	10,0 61,5 81,0	1,16 0,35 0,20
Сосна	1,53	0,50	67,0	0,17
Минераловатные плиты	2,70	0,05	98.0	0,047
Пенополистирол	1,05	0,04	96,0	0,03

Водостойкость – способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой. Она оценивается коэффициентом размягчения К_разм, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии R _вл, МПа к пределу прочности сухого материала R_cyx, МПа:

К_разм = R_вл / R_cyx. (1.6)

Для разных материалов К_разм=0–1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее К_разм=0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них К_разм=1. Строительные материалы с коэф-фициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде.

Гигроскопичность – способность материала поглощать воду из окружающего воздуха. Она выражается в процентах как отношение массы воды, поглощенной материалом из воздуха, к массе сухого материала при относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 °С.

Гигроскопичность зависит от природы материала. Одни из них, например древесина, активно притягивают молекулы воды. Их называют гидрофильными. Другие же, например битум, не смачиваются водой. Их называют гидрофобными. Придание материалу гидрофобных свойств улучшает его качество.

Влагоотдача – способность материала отдавать воду в окружающий воздух. Она характеризуется скоростью высыхания, которая определяется количеством воды, отдаваемой материалом в сутки, при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Подразделяется на водопоглощение по массе и объему.

Водопоглощение по массе W_м, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему W _о, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к объему образца.

Их определяют по следующим формулам:

; , (1.7)

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 объему существует следующая зависимость:

W _о = W _м р _с, (1.8)

где р _с – 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, повы-шается теплопроводность.

Воздухостойкость – способность материала не изменять дли-тельное время свои свойства при периодическом гигроскопическом увлажнении и высыхании. Изменение влажности приводит к разбуханию и усадке материала и со временем – к его разрушению. Воздухостойкость гигроскопичных материалов повышают гидро-фобизацией их поверхности, введением гидрофобных добавок при изготовлении.

Капиллярное увлажнение и диффузия. Капиллярное увлажнение возникает в результате способности воды подниматься по капиллярам на высоту. Высота подъема зависит от тонкости капилляров и степени смачиваемости их стенок. Для кирпичной кладки она может быть более одного метра.

В материалах возможна диффузия воды, которая передвигается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью и равномерно распределяется по всему объему.

Для защиты от капиллярного увлажнения и диффузии воды конструкции защищают гидроизоляционными материалами. Напри-мер, между фундаментом здания и стеной устраивают гидроизоляцию.

Водопроницаемость – способность материала пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации К_ф, м/ч, который равен количеству воды V_в, м³, проходящей через материал площадью S=1 м², толщиной а=1 м за время τ=1 ч при разности гидростатического давления Р₁ – Р₂=1 м водного столба:

К _ф = V _в а / [ S (Р ₁ – Р ₂) τ]. (1.9)

Обратной характеристикой водопроницаемости является водо-непроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением.

Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров для воды.

Паропроницаемость – способность материала пропускать водяной пар через свою толщину. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости μ, г/(м∙ч∙Па), который равен количеству водяного пара V, м³, проходящего через материал толщиной а=1 м, площадью S=1 м² за время τ=1 ч при разности парциальных давлений P ₁ – Р₂ = = 133,3 Па:

μ = Va / [S (Р₁ – Р₂) τ]. (1.10)

Стены и покрытия в помещениях с повышенной влажностью следует защищать от проникновения водяного пара.

Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9 %. Давление льда на стенки пор вызывает растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения пор водой.

Теплопроводность – способность материала проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность зависит от коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м∙°С), который равен количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной δ=1 м, площадью S=1 м² за время τ=1 ч при разности температур между поверхностями t₁ – t₂ = 1 °С:

λ= Q δ / [ S (t ₁ – t ₂) τ]. (1.11)

Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор, влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность оказывает средняя плотность материала. При известной средней плотности можно ориентировочно вычислить коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м∙°С), материала в воздушно-сухом состоянии:

. (1.12)

Теплопроводность материала значительно возрастает при увлажнении. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/(м∙°С), воздуха – 0,023 Вт/(м∙°С), т. е. в 25 раз меньше. Коэффициенты теплопроводности отдельных материалов приведены в табл. 1.1.

Теплоемкость – способность материала поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг∙°С), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченного на нагревание материала массой m =1 кг, чтобы повысить его температуру на t₂ – t₁ = 1 °С:

c = Q / [ m (t₂ – t₁)]. (1.13)

Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755–925, лесных – 2420–2750 Дж/(кг ∙ °С). Наибольшую теплоемкость имеет вода – 4900 Дж/(кг ∙ °С).

Теплоемкость учитывается при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.

Огнестойкость – способность материала не разрушаться от действия высоких температур и воды в условиях пожара.

По огнестойкости материалы подразделяются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы не горят, не тлеют и не обугливаются. Это каменные материалы, металлы.

Трудносгораемые материалы обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются. При удалении источника огня или высокой температуры эти процессы прекращаются. Это древесина, пропитанная антипиренами.

Сгораемые материалы горят или тлеют. При удалении источника огня или высокой температуры горение и тление продолжаются. К ним относят все незащищенные органические материалы.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживают температуру 1580 °С и выше, тугоплавкие – 1350… 1580 °С, легкоплавкие – менее 1350 °С.

Радиационная стойкость и защитные свойства материалов. Радиационная стойкость – способность материала сохранять свою структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений. Под влиянием излучений в материале могут произойти глубокие измене-ния – переход от кристаллического состояния в аморфное.

Защитные свойства материалов определяются их способностью задерживать гамма- и нейтронное излучения. Они оцениваются по толщине слоя материала, который ослабляет величину ионизирующего излучения в два раза. Толщина слоя половинного ослабления излучений составляет для бетона 0,1 м, для свинца – 0,18 м.

Для защиты от гамма-излучения применяются материалы повышенной плотности – особо тяжелые бетоны, свинец, грунт; от нейтронного излучения – вода и материалы, содержащие связанную воду: лимонитовая руда, бетоны с добавками бора, кадмия, лития.

1.3. Механические свойства

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределом прочности. Им называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах. Предел прочности при сжатии и растяжении R_cж(p), МПа вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р, Н, к площади поперечного сечения F, мм²:

R_cж(p) = Р_cж(p) / F. (1.14)

Предел прочности при изгибе R_и, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента М, Н ∙ мм, к моменту сопротивления образца W, мм³:

R_и = М / W. (1.15)

Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5–50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы – металл, древесина, многие пластмассы хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

Важной характеристикой материала является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:

к _к.к = R / d. (1.16)

Коэффициент конструктивного качества для тяжелого бетона марки 300 равен 12,5, стали марки Ст5 – 46, древесины дуба при растяжении – 197. Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными.

Упругость – способность материала под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости δ_уп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, Р_уп, Н, к площади первоначального поперечного сечения F_о, мм:

δ_уп = Р_уп / F_о. (1.17)

Пластичность – способность материала изменять свои форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Релаксация – способность материала к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале. Релаксация оценивается периодом релаксации – временем, за которое напряжение в материале снижается в е = 2,718 раза, где е – основание натурального логарифма. Период релаксации составляет от 1∙10^–10 с для материалов жидкой консистенции и до 1∙10¹⁰ с (десятки лет) у твердых.

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.

Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из десяти минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.

Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.

Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость.

Истираемость – способность материала разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И, г/см², вычисляется как отношение потери массы образцом m ₁– m ₂, г, от воздействия истирающих усилий к площади истирания F, см². Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при использовании материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог.