Гидрофизические свойства строительных материалов

Это свойства, связанные со статическим или циклическим воздействием воды или водяного пара на материал.

Гигроскопичность w_Г (%) – свойство материала поглощать водяной пар из воздуха:

где: m_вл.г – масса гигроскопически увлажненного образца, г (кг);

m_сух – масса образца после высушивания, г (кг).

Существует огромное количество строительных материалов, которые способны впитывать в себя значительное количество водяного пара. К таким материалам относятся: дерево, пенобетон, теплоизоляционные материалы и т.д. Строительные материалы с повышенной гигроскопичностью при полном насыщении водой теряют свои свойства, а так же могут изменять геометрические размеры. Для защиты строительных материалов от насыщения водяными парами применяют водоотталкивающие защитные составы.

Поглощение влаги из воздуха обусловлено адсорбцией водяного пара на внутренних поверхностях пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс называется сорбцией. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Сорбционную влажность определяют стандартным эксикаторным методом при влажности 40, 60, 80, 90 и 97%. Влажность в эксикаторе (рис. 1.9 а) поддерживают за счет серной кислоты определенной концентрации (от 5,93 до 47,13%). По результатам испытаний строят кривые сорбции – зависимость влажности материала от влажности окружающей среды (рис. 1.9 б).

а	б

Рис. 1.9. Определение сорбционной влажности строительных материалов: а – эксикатор; б – кривые собрции

Влагоотдача строительного материала – это свойство материала отдавать влагу, находящуюся в порах. Так, например, штукатурные растворы, отдавая лишнюю влагу, существенно изменяют свои показатели по прочности, стеновые пенобетонные блоки впитывают влагу из растворов, а потом отдают ее в атмосферу. Чем выше влажность воздуха и меньше температура, тем хуже происходит влагоотдача. Измеряется влагоотдача в процентах влаги, отдаваемой стройматериалом при среднестатистической относительной влажности воздуха 60% и температуре +20°С.

Капиллярное всасывание – свойство материала при непосредственном контакте с водой поднимать ее на определенную высоту по капиллярным порам, которые имеют размер от 1000 Å до 10 мкм.

Влажностные деформации – увеличение линейных размеров и объема материала при его увлажнении (набухание) или уменьшение размеров и объема при высыхании (усушка).

Как правило, характеризуются относительной линейной деформацией:

Влажностные деформации зависят от строения материала. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина 30…100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м), материалы с маленькой пористостью – незначительной усадкой (гранит 0,02…0,06 мм/м).

Водопоглощение – свойство материала поглощать и удерживать в порах капельно-жидкую влагу. Количество воды, которое поглотил образец, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе, а отнесенное к его объему – водопоглощением по объему:

где: m_нас – масса материала, насыщенного до постоянной массы, г;

m_сух – масса сухого материала, г;

V_e – объем материала в естественном состоянии, см³;

 – плотность воды, г/см³

Водопоглощение характеризует максимальную влагоемкость материала. Водопоглощение по объему численно равно открытой пористости:

W₀ = П_О.

Для определения водопоглощения прибегают к методу постепенного погружения образца материала в воду с целью максимального заполнения свободных пор водой.

Водопоглощение зависит от величины пористости, характера и размеров пор.

Водопоглощение строительных материалов изменяется в широких пределах – от 0,02…0,7% для гранита, 2…4% для тяжелого бетона, 8…15% для стеновой керамики до 600…700% для легких минераловатных плит.

Коэффициент насыщения выражает степень заполнения пор материала водой:

Этот коэффициент позволяет оценить структуру материала. Уменьшение К_н при постоянной величине пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости.

Водостойкость – способность материала сохранять прочность в водонасыщенном состоянии. Характеризуется коэффициентом размягчения:

где: R_нас и R_cух – пределы прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого образцов материала.

Снижение прочности материала при контакте с водой может происходить в виду того, что в материале содержатся водорастворимые соединения, а также вследствие адсорбционного снижения прочности - изменения механических свойств твёрдых тел вследствие физико-химических процессов, вызывающих уменьшение поверхностной (межфазной) энергии тела (эффект П.А. Ребиндера, 1928 г.).

Материалы, имеющие К_р > 0,8, считаются водостойкими и их разрешается применять в сырых условиях эксплуатации, материалы с К_р < 0,8 считаются неводостойкими. Водостойкость является важнейшим свойством материалов для несущих конструкций.

Воздухостойкость – это способность материала выдерживать многократные насыщения водой и высыхание без значительных изменений его физического состояния. Разные строительные материалы по-разному «переносят» многократное намокание и высыхание. Чаще всего этот процесс вызывает деформацию, потерю прочности и как итог потерю несущей способности строительной конструкции. Для повышения воздухостойкости строительные материалы покрывают гидрофобными составами или вводят в их состав гидрофобизаторы.

Водонепроницаемость – свойство материала сопротивляться проникновению сквозь свою толщу воды под давлением.

Характеризуется маркой по водонепроницаемости – значением одностороннего гидростатического давления воды (атм.), при котором не наблюдается фильтрация воды сквозь образец в условиях стандартного испытания.

Стандартные марки бетона по водонепроницаемости:

W 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 (атм.).

Является важным свойством бетонов, гидроизоляционных материалов. Марки по водонепроницаемости устанавливаются для бетонов и обмазочных гидроизоляционных материалов на минеральной основе, для пенетрирующей гидроизоляции устанавливается повышение марки по водонепроницаемости по сравнению с бетоном контрольного состава.

Для рулонных и полимерных гидроизоляционных материалов водонепроницаемость проверяется при давлении 0,2…0,3 МПа.

Основной образец для определения марки бетона по водонепроницаемости – цилиндр диаметром 150 мм и высотой 150 мм. Определение марки по водонепроницаемости ведут по методу «мокрого пятна» (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Определение водонепроницаемости бетона по методу «мокрого пятна»

Для характеристики водонепроницаемости также может быть использован коэффициент фильтрации:

где: Q – объем отфильтрованной воды, м³;

а – толщина конструкции (образца), м;

S – площадь поперечного сечения конструкции (образца), м²;

Δp – перепад давления на противоположных поверхностях конструкции (образца), м в. ст.;

t – промежуток времени, ч.

Также водонепроницаемость можно оценить по глубине проникновения воды в толщу образца при определенном значении давления воды.

Для ускоренного определения водонепроницаемости некоторых строительных материалов по показатели воздухопроницаемости, в частности, бетона, применяют различные приборы, например АГАМА (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Общий вид прибора «АГАМА»

Все альтернативные характеристики водонепроницаемости по таблицам приводятся к стандартной характеристике – марке по водонепроницаемости.

Паропропускающая способность материала характеризуется паропроницаемостью и сопротивлением паропроницанию.

Паропроницаемость – свойство материала пропускать сквозь свою толщу водяной пар при перепаде парциальных давлений на противоположных поверхностях материала.

Паропроницаемость – величина, численно равная количеству водяного пара (M, мг), проходящего за t=1 ч через слой материала площадью S=1 м² и толщиной a=1 м при условии, что температура воздуха у противоположных сторон слоя одинаковая, а разность парциальных давлений водяного пара равна Δp=1 Па:

Данная характеристика называется коэффициентом паропроницания. Определяется в условиях стационарного потока водяного пара сквозь образец методом «мокрой чашки» (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Схема определения коэффициента паропроницания методом «мокрой чашки»: 1 – испытуемый образец; 2 – удерживающий шаблон (если необходимо); 3 – герметик; 4 – дистиллированная вода; 5 – стеклянный испытательный сосуд.

Паропроницаемость является важным свойством стеновых материалов.

Сопротивление паропроницанию R_п (м²·ч·Па)/мг – показатель, характеризующий разность парциальных давлений водяного пара (в Па) у противоположных сторон изделия с плоскопараллельными сторонами, при которой через изделие площадью 1 м² за 1 ч проходит 1 мг водяного пара при равенстве температуры воздуха у противоположных сторон изделия; величина, численно равная отношению толщины слоя испытуемого материала (d, м) к значению коэффициента паропроницания (μ):

В ограждающей конструкции материалы необходимо размещать в порядке уменьшения сопротивления паропроницанию «изнутри – наружу» (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Пример неправильного (слева) и правильного (справа) проектирования слоистой системы:

1 – толстый слой; 2 – тонкий слой; 3 – утеплитель; 4 – отсутствие конденсата в толще стены; 5 – образование конденсата на поверхности толстого слоя

Морозостойкость – свойство материала в водонасыщенном состоянии выдерживать циклы многократного попеременного замораживания и оттаивания без внешних признаков разрушения, снижения массы и прочности более нормативных значений.

Разрушение материала связано с появлением в нём растягивающих напряжений при образовании льда в порах. Увеличение объёма при образовании льда составляет 9,16 %.

Морозостойкость является свойством преимущественно каменных материалов (природного камня, бетона, строительных растворов, керамики), т.к. именно каменные материалы имеют прочность на растяжение в разы меньшую, чем прочность на сжатие.

Морозостойкость является важнейшим фактором, определяющим долговечность строительной конструкции.

Морозостойкость зависит, главным образом, от структуры материала: объёма открытых пор, величины общей пористости, равномерности распределения пор по объёму материала и их размеров.

Рис. 1.14. Схема развития трещины в материале при морозном разрушении

Морозостойкость оценивается маркой по морозостойкости.

Марка по морозостойкости – гарантированное число циклов попеременного замораживания – оттаивания, которое выдерживает водонасыщенный образец материала в условиях стандартного испытания, сохраняя свой внешний вид, прочность и массу в установленных пределах.

Марки по морозостойкости F15, F25, F35, F50, F100, F125, F150, F175, F200, F300, F400, F500 и более:

- для легких бетонов – F15 – F50;

- для стеновой керамики – F35 – F200;

- для тяжелого бетона – F100 – F400;

- для гидротехнического бетона – F500 – F600;

- для бетонополимера – до F5000.

При испытании бетона контролируют внешний вид образцов, потерю массы (≤2%), потерю прочности (≤5%); для строительных растворов контролируют внешний вид образцов, потерю массы (≤5%), потерю прочности (≤25%), для стеновой керамики контролируют только внешний вид изделий и т.д.

Марка по морозостойкости не тождественна циклам попеременного замораживания-оттаивания материалов в конструкциях в реальных условиях!

Марка по морозостойкости может определяться базовым или ускоренными методами.

Й базовый метод.

Данный способ применяется для всех видов бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий и бетонов конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия минерализованной воды.

Оттаивание образцов – вода, температура (20±2)°С;

Замораживание образцов– воздух, температура (-18±2)°С.

Используются образцы кубы с ребром 10 или 15 см. Всего 18 образцов – 6 контрольных и 12 основных.

Один цикл испытания включает замораживание насыщенного водой образца в течение 2,5…3,5 часов в морозильной камере с последующим оттаиванием в течение того же времени в воде.

Марка по морозостойкости, определенная таким методом, маркируется F₁.

Й ускоренный метод.

Данный способ применяется в качестве базового для бетонов дорожных и аэродромных покрытий и для бетонов конструкций, эксплуатирующихся в условиях воздействия минерализованной воды, а также в качестве ускоренного для всех остальных видов бетонов, кроме легких бетонов со средней плотностью менее 1500 кг/м³.

Оттаивание образцов – 5% раствора NaCl, температура (20±2)°С;

Замораживание образцов– воздух, температура (-18±2)°С.

Марка по морозостойкости, определенная таким методом, маркируется F₂.

Й ускоренный метод.

Данный способ применяется для всех видов бетонов, кроме легких бетонов со средней плотностью менее 1500 кг/м³.

Оттаивание образцов – 5% раствора NaCl, температура (20±2)°С;

Замораживание образцов – 5% раствора NaCl, температура (-50±2)°С.