Физические свойства

Общие понятия о свойствах

Физические свойства строительных материалов

Занятие №6

Раздел 2 Основные свойства строительных материалов

При выборе материала и обосновании целесообразности применения в строительной конструкции учитывают его способность сопротивляться реальным нагрузкам без нарушения сплошности и размеров. Одни материалы хорошо сопротивляются сжимающим, другие — растягивающим усилиям, которые возникают под действием нагрузки или других силовых факторов. Аналогичная реакция материалов на воздействие сил, способных вызвать сдвиг, изгиб, раскалывание и т. п. Всегда материал должен надежно сопротивляться этим воздействующим силам. Одновременно необходим учитывать стойкость материала к воздействию ожидаемых физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе через 0°С, водной среды и др.) и химических (кислоты щелочи, солевые растворы и др.) факторов. Нередко одним из главных показателей качества служит способность материала к восприятию необходимой технологической обработки, например шлифования и полирования, распиливания или раскалывания на част, правильной формы и т. п. Следовательно, для обоснованного выбора материала приходится учитывать комплекс его так называемых свойств.

Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов. Обычно выделяют четыре группы свойств: механические, физические, химические, технологические. Иногда отдельно выделяют еще физико-химические свойства. Фактические показатели этих свойств, выраженные в принятых числовых значениях, позволяют оценивать качество строительных материалов. Их определение производится с помощью лабораторных или полевых методов и приборов. Учитывая, что многие свойства отражают строительно-технологические и эксплуатационные показатели качества строительных материалов в конструкциях, то нередко именуют их как технические свойства.

Строительные материалы обладают комплексом физических свойств. Числовые показатели физических свойств определяются с помощью специальных методов и приборов. К физическим относятся свойства, выражающие способность материалов реагировать на воздействия физических факторов— гравитационных, т. е. основанных на законе земного притяжения, тепловых, водной среды, акустических, электрических, излучения и т. п.

Средняя плотность характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная физическая характеристика определяется путем деления массы образца на его объем. Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные приемы измерения объема образцов и неправильной формы. При влажных образцах отмечается величина влажности, при которой определялась средняя плотность. Среднюю плотность рыхлых материалов, например песка, щебня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме материала.

Истинная плотность — масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоянии.

где m—масса материала в естественном состоянии, кг или г;

V — объем материала в естественном состоянии, м³ или см³.

Vа — объем материала без пор и пустот, м³ или см³.

Таблица 1. Истинная и средняя плотность некоторых строитель­ных материалов

Пористость — степень заполнения объема материала порами. Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим размерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением специальных методов: ртутной порометрии, сорбционного, капиллярного всасывания и др. Величина пористости и размер пор в значительной мере влияют на прочность материала. При одном и том же веществе строительный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, усилиям другого происхождения (тепловым, усадочным и т. п.), чем больше и крупнее поры в его объеме. Для некоторых разновидностей материалов существуют ярко выраженные пропорциональные зависимости: чем меньше средняя плотность (больше пористость), тем меньше прочность материала. От пористости зависят и другие качественные характеристики материала, например способность проводить теплоту и звук, поглощать воду.

Пористость различных строительных материалов ко­леблется в значительных пределах и составляет для кир­пича 25—35 %, тяжелого бетона 5—10, газобетона 55— 85 пенопласта 95 %, пористость стекла и металла равна нулю.

От пор отличаются пустоты. Они значительно крупнее пор и всегда отчетливо видны, располагаясь между зернами насыпного материала. Поры обычно заполнены воздухом или водой, тогда как вода в пустотах не задерживается, особенно в широкополостных пустотах. При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуроустойчивостью, огнестойкостью и другими свойствами.

Теплопроводность — способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство характеризуется теплопроводностью, которая показывает количество теплоты, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа.

Теплоемкость характеризует способность материала аккумулировать теплоту при нагревании, причем с повышением теплоемкости больше может выделяться теплоты при охлаждении материала. Температура в комнате, например, может сохраняться устойчивой более длительный период при повышенной теплоемкости использованных материалов для пола, стен, перегородок и других частей помещения, поглощающих теплоту в период действия отопительной системы. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 °С. Удельная тепло­емкость, кДж(кг-°С), искусственных каменных материа­лов 0,75—0,92, древесины — 2,4—2,7, стали — 0,48, во­ды—4.187.

Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются {кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров. Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них — древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорным и являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей. Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы и др.

Температуростойкость или термостойкость — способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям.

Водопоглощаемость — способность материала впитывать и удерживать воду. Процесс впитывания воды в поры называется водопоглощением и в лабораторных условиях проходит при нормальном атмосферном давлении. Образец постепенно погружают в воду и его полного водопоглощения достигают путем кипячения в воде, если температура 100°С не влияет на состав и структуру материала. Выдерживают образцы в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.

Гигроскопичностью называется способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха, парциального давления смеси. С увеличением относительной влажности и со снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Влага, находящаяся в тонких порах и капилляра, удерживается прочно, особенно адсорбционно-пленочная влага, что способствует ускоренному передвижению поглощаемой воды по сообщающимся порам в материале. Если между влажностью окружающей среды воздуха и влажностью материала устанавливается равновесие, то отсутствуют гигроскопичность и влагоотдача, а состояние принято именовать воздушно-сухим.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением.

Водостойкость - способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения. На стабильность структуры и свойств материала заметное влияние оказывает попеременное увлажнение и просыхание.

Некоторые материалы принято проверять на водостойкость путем циклического насыщения образцов водой и их высушивания. В жестких условиях находится тот материал, который увлажняется при резких температурных перепадах. Вода, поглощенная материалом, особенно порами в поверхностном слое, замерзает при переходе через нулевую температуру с расширением на 8,5%. Ритмично чередующаяся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием приводит к дополнительным внутренним напряжениям. Могут возникнуть микро- и макротрещины со снижением прочности, с возможным разрушением структуры. Способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное (циклическое) замораживание и оттаивание без значительных технических повреждений и ухудшения свойств называется морозостойкостью. Установлены нормативные пределы допустимого снижения прочности или уменьшения массы образцов после испытания материала на морозостойкость при определенном количестве циклов замораживания и оттаивания. Некоторые материалы, например бетоны, маркируются по морозостойкости в зависимости от количества циклов испытания, которые они выдерживают без видимых признаков разрушения. Обычно замораживание образцов, насыщенных водой, производится в специальных морозильных камерах, а оттаивание организуется в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одного цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают 200... 300 циклов и более. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозостойкость, или сохранность в солевых растворах при чередующейся кристаллизации соли в порах материала. В отношении некоторых материалов, например природного камня, о морозостойкости судят по величине коэффициента размягчения.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемость, поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость и др. С помощью испытания соответствующих образцов материала определяются числовые характеристики этих свойств. Они сравниваются с допустимыми по нормам.

Под структурой, или внутренним строением строительных материалов, как и других физических тел, понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности (измельченности) с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. Кроме того, в понятие структуры входит расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. Под микроструктурой подразумеваются расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются различные вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Атомно-молекулярное строение определяет макроскопические особенности материала. На макроскопическом уровне устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложных материальных систем типа конгломератов (композиционных материалов).

Основной формой правильного расположения микрочастиц в пространстве является кристаллическая решетка. Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки, а именно: ионная решетка; молекулярная, или поляризационная, решетка, формирующаяся с помощью сил Ван-дер-Ваальса; атомная с резко выраженной в решетке ковалентной связью; металлическая; решетка с водородными связями. Особенностью твердых тел является взаимозависимость, или корреляция, положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках дальний порядок распространяется на большие области, а ближний порядок — на окружение данного атома. Все тела с кристаллической решеткой имеют правильную форму кристаллов, хотя реальные кристаллы обычно имеют отклонения от идеальной геометрической структуры.

Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, относятся к аморфным. К самым распространенным представителям аморфных тел относятся стекла. Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет изучение их структуры. О ней нередко судят по некоторым косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавления; они обладают изотропностью, т. е. одинаковыми свойствами во всех направлениях. Упорядоченность расположения частиц может наблюдаться (например, у стекол) только в небольших элементах объема (ближний порядок). В этих зонах структура именуется как кристаллитная: между кристаллами, занимающими микрообъемы, находятся прослойки полностью аморфного вещества.

У твердых тел имеются значимые признаки их кристалличности: определенная температура плавления — перехода их в жидкое состояние; определенная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества; анизотропия, т. е. неодинаковость свойств в различных направлениях. Тепловой эффект кристаллизации — основной критерий этого фазового превращения.

Структура, как отмечалось выше, не остается неизменной, «застывшей». В пространстве и во времени она непрерывно претерпевает изменения. Этому, в частности, способствует постоянное движение элементарных частиц, атомов, молекул, взаимодействие материала с окружающей средой, переход вещества из одного состояния в другое под влиянием перераспределения связей между атомами в молекулах, изменения в структуре молекул и других химических форм движения элементарных частиц.

Микроструктура и кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др.

Определенный объем, иногда значительный, в микроструктуре занимают замкнутые и сообщающиеся поры или те и другие вместе. Эти поры могут иметь различное происхождение, что зависит от вида цементирующего вещества. По своему размеру они бывают мелкими. Но они могут быть и крупными. Крупные поры образуются в различных количествах в зависимости от того, непроизвольно или преднамеренно они возникли в вяжущем веществе. При непроизвольном вовлечении воздуха в период изготовления смеси их количество обычно невелико, составляя 2... 5%. Если возникают они под влиянием специально вводимых воздухововлекающих тли порообразующих добавок, то в поризованном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более по объему сферичесих (ячейковых) пор, чаще всего замкнутых.

Макроструктура различима невооруженным глазом. Структурные характеристики получаемого материала, например толщины пленок среды, содержание пор и их размер и др., изменяются при разных технологиях. Так, макроструктура прессованных изделий отличается от получаемых при литьевой технологии из одинаковых по качеству компонентов; микроструктура вяжущей части изделий после твердения в обычных условиях на воздухе отличается от образующейся при твердении в условиях повышенных давлений и температур и т. п.