Теплофизические свойства материалов: огнестойкость, огнеупорность (с примерами). Зависимость теплопроводности от строения, пористости влажности материала

Огнестойкость – сво-во материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. 1) Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются под воздействием высоких температур (кирпич), другие могут деформироваться сильно (сталь и другие металлы) или растрескиваться (гранит). Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами. 2) Трудносгораемые с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня эти процессы прекращаются (асфальтовый бетон, фибролит, некоторые пенопласты, пропитанная антипиренами древесина). 3) Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и горят открытым пламенем или тлеют и после удаления источника огня. Такие материалы необходимо защищать от воспламенения. Для этого применяют защитные вещества – антипирены. (Древесина, битумы смолы и др.)

Огнеупорность – св-во материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру белее 1580ºС, называют огнеупорными, от 1350ºС до 1580 ºС – тугоплавкими, ниже 1350 ºС – легкоплавкими. Материалы, которые способны длительное время выдерживать температуру до 1000 ºС при незначительной потере прочности, относят к жаростойким (кирпич, жаростойкий бетон и др).

Теплопроводность – св-во материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность λ [Вт/(м* ºС)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1м площадью 1м² в течение 1с при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 ºС. Теплопроводность материала зависит от его химического состава и структуры, степени влажности и характера пористости, а также температуры, при которой происходит процесс передачи теплоты. Материал слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза выше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения. В значительной мере теплопроводность зависит от величины и характера пор, а также их размера. У пористых материалов тепловой поток проходит через твердый «каркас» материала и воздушные ячейки. Теплопроводность в оздуха очень низка – 0,023 Вт/(м* ºС), а вещества, из которых построен твердый «каркас» материала, имеют значительно большую теплопроводность. Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность. Теплопроводность материала зависит от плотности. Для некоторых групп материалов установлена определенная связь между теплопроводностью и относительной плотностью d (формула В. П. Некрасова): λ =1,16 √(0,0196∙0,22d² ∙0.16); С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, так как вода имеет теплопроводность, в 25 большую, чем теплопроводность воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность лбда равна 2,3 Вт/(м∙ ºС), т.е. в 4 раза больше, чем у воды. Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры.

Морозостойкость строительных материалов и методы ее определения, зависимость от различных фокторов. Способы повышения морозостойкости. Значение в прогнозировании долговечности сооружений.

Морозостойкость – св-во материала, насыщенного водой, выдерживать много кратное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости, в основном, зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций зданий и инженерных сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействия связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда. В порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды. Вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9% (плотность воды равна 1, а льда 0,917) При этом давление на стенки пор может достигать в ряде случаев сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиям эксплуатации изготовленных их них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочности материала при его растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80% и объеме пор (k <0,8). Разрушение материала при этом наступает после много кратного попеременного замораживания и оттаивания. Моррозостойкостть характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15…-17 ºС и оттаивания в воде при температуре около 20 ºС. Выбор температуры замораживания не выше -15…-17 ºС вызван тем, что при более высокой температуры вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число цикло (марка), которое должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении и климатических условий. Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность не более чем на 15% (для некоторых материалов на 25%). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренные методы испытаний, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при е высыхании в порах образца воспроизводит механическое действие замерзающей воды, но более сильной степени, чем вода при замерзании. Морозостойкость определяет срок службы (долговечность) частей сооружения, подвергающихся много кратному замораживанию и оттаиванию. К ним относятся наружные стены жилых и промышленных зданий, покрытия зданий, сооружения промышленной гидротехники (например, градирни), наружные части гидросооружений, бетонные покрытия дорог и др. Бетон, применяемый в строительстве таких сооружений, должен быть не только прочным, но и морозостойким.

Механические свойства строительных материалов. Прочность, методы определения. Привести значения прочности некоторых важных строительных материалов. Теоретическая прочность и влияние дифектов структуры на прочность (примеры).

Механические свойства - способность м-ла сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры. Внешние силы, действующие на м-л, стремятся его деформировать, т. е. изменить взаиморасположение составляющих частиц, и довести эти изменения до величины, при которой м-л разрушается.

Прочность – св-во м-ла сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформация, возникающим под действием внешних нагрузок и др. факторов.

Прочность материалов явл-ся основной строительной характеристикой, т. к. все м-лы в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, изгиб, растяжение, срез). Значение прочностных показателей позволяет рассчитать механические и экономически целесообразное сечение конструкции из данного материала. Прочность оценивают пределом прочности (Па), который условно равен макс. напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала, и на сжатие. Определяется по формуле: σ=F/A (F – разрушающая сила (Н), А – площадь сечения образца до испытания (м²))

Предел прочности материала характеризует его марку. По пределу прочности при сжатии установлены марки в широких пределах от 0,5 до 1000 МПа и более. У большинства материалов, кроме древесины, стали и полимеров, предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Например, у каменных мат-лов, работающих в сооружении, действующие напряжения должны быть меньше величины предела прочности, т.е. они должны иметь запас прочности. Необходимость создания запаса прочности вызывается рядом причин: неоднородность материала, возможность значительной деформации еще до предела прочности и появление трещин, усталость мат-ла при переменных нагрузках и его «старение» под влиянием окружающей среды. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества мат-лов, долговечности, класса сооружения. Для оценки прочностной эффективности часто используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.), который определяется делением предела прочности при сжатии на относительную плотность мат-ла: к.к.к.= σ/d. Наряду с прямыми способами оценки прочности строительных мат-ов применяются также методы контроля прочности без разрушения. Широкое распространение получили приборы механического действия, основанные на принципе заглубления в мат-л (например, бетон) и получения величины пластической деформации, а также на принципе упругого откоса от поверхности материала и получения величины упругости деформации. Наиболее популярным является молоток К.П. Кашкарова. При нанесении удара на поверхности материала образуется два отпечатка: на бетоне и на стальном эталоне. По величине этих отношений с помощью тарировочного графика можно получить численные значения показателя прочности бетона. Метод определения прочности бетона основан на зависимости между упругостью бетона, определяемой по величине откоса ударяющего тела, и его прочностью. Величина откоса в процентах к величине пути при ударе молотка характеризует прочность бетона. Для получения численных значений прочности также требуется наличие тарировочной кривой. Для эффективной работы с такими приборами предварительно необходимо проводить тщательную их тарировку, так как результаты измерений оказывает влияние большое количество разнообразных факторов: состав, влажность, температура и пр. К физическим методам контроля относятся электронно-акустические, радиометрические и магнитные методы испытания. Электронно-акустические методы подразделяются на: а) импульсный метод испытаний (применяется для определения изменений структуры и других свойств материала, от которых зависит его прочность, например наличие трещин. Они основаны на определении скорости распространения упругих волн в материале и характеристике их поглощения); б) вибрационный метод испытаний (позволяет оценить не только качество, но и получить представление о наличии дефектов в структуре материала и изделия).

С помощью радиометрических методов можно определить влажность и среднюю плотность материала, степень уплотнения бетонной смеси, расположение арматуры в железобетонной конструкции и т.д. Магнитные методы позволяют определить степень натяжения арматуры при производстве предварительно-натяженных ж/б конструкций, контроля расположения арматуры. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении или после установки в сооружениях.

Прочность некоторых материалов в МПа (кгс/см²):

гранит…………………………………..100-200 (1000-2200)

известняк плотный…………………….10-150 (100-1500)

кирпич глиняный обыкновенный…….7,5-20 (75-200)

бетон…………………………..………..5-60 (50-600)

сосна (вдоль волокон)……….………..30-45 (300-450)

дуб (вдоль волокон)…………….……..45-50 (400-500)

сталь Ст3……………………….……..380-450 (3800-4500)

Теоретическая прочность одного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Теор. прочность σ_теор получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей. Уравнение Орована-Келли: σ_теор=√(ЕЭ/а), где Е-модуль упругости, Э-поверхностная энергия твердого тела на 1см², а-межатомное расстояние (в среднем 2*10^-8см). Теоретическая прочность стекла при конатной температуре - 14000МПа, а прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (тольщиной 3-5мкм) – 3500-5000 МПа, а обыкновенного стекла - только 70-150 МПа. Следовательно, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.