Физические свойства строительных материалов

Истинная плотность – отношение массы однородного материала m (кг) к занимаемому им объёму в абсолютно плотном состоянии Va (м³), т.е. без пор и пустот:

ρи = m/Va ; кг/м³ (1.1)

Истинная плотность – постоянная величина, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Средняя плотность – отношение массы однородного материала m (кг) к занимаемому им объёму в естественном состоянии Vе (м³):

ρс = m/Vе ; кг/м³ (1.2)

Так как Ve ≥ Va ( равенство только в абсолютно плотных материалах, не содержащих пор – сталь, стекло), то всегда ρи ≥ ρс

Средняя плотность величина, изменяющаяся в зависимости от структуры материала и его влажности, оказывает влияние на механическую прочность, водопоглощение, теплопроводность и др..

Пористость степень заполнения материала порами. Если известны истинная и средняя плотность, то можно определить пористость в % по формуле:

П = (1 ρс /ρи)×100; % (1.3)

Пористость строительных материалов колеблется от 0 (сталь, стекло, гранит) до 98% (пенопласт). Поры могут быть замкнутые и открытые, мелкие (тысячные доли мм) и крупные (до 5мм). По характеру пор оценивают способность поглощать воду. Пенопласт с закрытой пористостью 95% практически не впитывает воду, а кирпич с открытой пористостью 30% активно поглощает воду.

Пористость влияет на прочность, водопоглощение, теплопроводность. Для сыпучих материалов рассчитывают насыпную плотность – отношение массы материала m (кг) к занимаемому им объёму в рыхлом состоянии Vн (м³):

ρн = m/Vн ; кг/м³ (1.4)

Vн включает в себя объём всех частиц и сыпучего материала и объём пространств между ними (пустотами). Если известны насыпная плотность ρн и средняя плотность ρс, то можно рассчитать его пустотность α

α = (1 ρн /ρс)×100; % (1.5)

По физическому смыслу пористость и пустотность аналогичны. При изготовлении бетона стремятся использовать заполнители с минимальной пустотностью, т.к. для такого бетона нужно меньше цемента и бетон будет дешевле.

Водопоглощение по массе Wм %, равно отношению массы воды m в.н.(кг) полностью насыщающей материал, к массе сухого материала mс (кг)

Wм = (m в.н./ mс ) ×100
или Wм = [(mн mс/ mс )] ×100, (1.6)

где mн – масса материала в насыщенном водой состоянии (кг). Водопоглощение по объёму Wо %, характеризует степень заполнения объёма материала водой. Это отношение объёма воды V в.н. (м³) полностью насыщающей материал, к его объёму Vе (м³)

Wо = (V в.н./ Vе ) ×100

или Wо =[(mн mс)/pв Vе] ×100, (1.7) где pв – плотность воды, 1000 кг/м³.

Водопоглощение зависит от пористости и колеблется для гранита 0,02%, для тяжёлого бетона 2%, кирпича 8% до 100 и более % для теплоизоляционных материалов с открытой пористостью.

Влажность отношение массы воды, находящейся в материале m в к массе (реже объёму) материала в сухом состоянии mс

W = (m в/ mс ) ×100; % (1.8)

Влажность может изменяться от 0 до величины Wм , соответствующей максимальному водосодержанию. При увлажнении изменяются свойства материала: повышается масса, теплопроводность, уменьшается прочность (под влиянием расклинивающих свойств воды). Влажность обычно нормируется: для мела 2%, для стеновых материалов 57%, для воздушносухой древесины 1218%.

Водостойкость – свойство материала сохранять прочность при насыщении водой. Критерий водостойкости – коэффициент размягчения – отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, Rв к прочности при сжатии сухого материала Rc

Kр = Rв / Rc (1.9)

Материалы с kр больше 0,75 называют водостойкими. Водонепроницаемость – свойство материала сопротивляться проникновению в него воды под давлением. Это свойство важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, плотины, резервуары) и оценивается маркой бетона от W2 до W20, обозначающей максимальное одностороннее гидростатическое давление, при котором образец не пропускает воду.

Для гидроизоляционных материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по истечении которого появляется просачивание воды под определённым давлением через образец (мастика, гидроизол).

За характеристику гигроскопичности принята величина отношения массы поглощённой влаги, при относительной влажности воздуха 100% и температуре +20 °С, к массе сухого материала.

Морозостойкость характеризует долговечность строительных материалов в конструкциях и сооружениях. Для каменных материалов и бетона установлена марка по морозостойкости от F10 до F1500. Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы с малой пористостью и закрытыми порами.

Теплоёмкость – свойство материала поглощать при нагревании и отдавать при охлаждении определённое количество теплоты. Теплоёмкость – мера энергии, необходимой для повышения температуры материала.

Теплоёмкость, отнесённую к единице массы, называют удельной теплоёмкостью С и измеряют в Дж/(кг• °С). Удельная теплоёмкость – это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1 °С. У органических материалов теплоёмкость выше, чем у неорганических: древесина – 2,38 – 2,72 , сталь 0,46, вода – 4,187 – наибольшая.

Поэтому с повышением влажности материалов их теплоёмкость возрастает. Численные характеристики теплоёмкости используются при расчёте теплоустойчивости ограждающих конструкций, расчёте затрат на топливо и энергию на обогрев материалов и конструкций зимой.

Теплопроводность зависит от строения материала, его химического состава, пористости и характера пор, а также влажности и температуре при которой происходит передача теплоты.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж способен пропустить материал через 1 м ² поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°C), наименьший для воздуха и равен – 0,023, для воды – 0,59, для льда – 2,3, для кирпича – 0,82. С ростом температуры теплопроводность увеличивается за счёт повышения внутренней кинетической энергии.

Для бетона – 1012 ∙10ˉ6 , для стали 10 ∙10ˉ6 , для древесины 35 ∙10ˉ6 , для полимерных строительных материалов в 10 – 20 раз больше. Для исключения разрушения конструкции за счёт ТКЛР устраивают температурные (деформационные) швы с учётом ТКЛР соответствующего материала.

Огнестойкость свойство материала выдерживать без разрушения воздействие высокой температуры, пламени и воды в условиях пожара.

Предел огнестойкости – время (минуты, часы) от начала возгорания до возникновения предельного состояния (потеря несущей способности, разрушение, возникновение сквозных трещин и т.д.).

Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры от 1580 °C и выше. Огнеупорные шамот, динас, корунд, хромомагнезит, применяемые для внутренней футеровки промышленных печей – 1580 °C и выше. Тугоплавкие 1350 – 1580 °C, легкоплавкие – до 1350 °C.