Вопрос 21. Теплопроводность материалов. Способы определения. Водостойкость формула

истинная, средняя, насыпная, относительная. Методики определения плотности. Зависимость свойств материалов от их плотности.

Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью, а также пористостью.

Средняя плотность ρ0 (г/см3, кг/м3) – масса единицы объема материала в естественном состоянии.

Среднюю плотность вычисляют путем деления массы образца m, г (кг), на его геометрический объем V, см3 (м3)

ρ0=m/V

При изменении температуры и влажности среды, окружающей материал, меняется его влажность, а следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель средней плотности определяют после предварительной сушки материала до постоянной массы или вычисляют по формуле:

где ρwи ρ0средняя плотность влажного и сухого материала; W – количество воды в материале (доля от его массы).

Метод определения средней плотности зависит от формы образца материала.

Насыпной плотностью называется отношение массы материала в свободном рыхло насыпанном состоянии к его объему.

Определение насыпной плотности сыпучих материалов производят засыпкой их в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см через воронку или без нее. Объем материала определяют по объему цилиндра. Воронка обеспечивает равномерное заполнение мерного цилиндра материалом. Образовавшуюся (без уплотнения) над краями цилиндра горку материала срезают ножом или линейкой. После этого цилиндр с материалом взвешивают. Насыпную плотность материала рассчитывают по формуле:

где - масса пустого мерного цилиндра;- масса цилиндра, заполненного испытываемым материалом;V – объем мерного цилиндра.

Истинной плотностью ρ (г/см3, кг/м3) называют массу единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии без учета имеющихся в нем пор.

Для определения абсолютного объема образцы измельчают в порошок до полного прохождения через сито с размером отверстий 0,2 мм. (Считается, что каждое отдельное зерно такого размера не содержит внутренних пор.)

Истинную плотность определяют в приборе Ле-Шателье – Кандло. Прибор представляет собой стеклянную колбу с узкой трубкой, имеющей шарообразное уширение в средней части. На трубке ниже уровня уширения имеется черта; верхняя часть трубки градуирована делениями и заканчивается воронкой.

Объем трубки между нижней чертой и нижним делением градуированной части равен 20 см3. Прибор заполняют дистиллированной водой до уровня нижней черты, уровень устанавливают по нижнему мениску, затем взвешивают сухой измельченный образец массой m1, г. Порошок всыпают в прибор до тех пор, пока уровень воды в приборе не поднимется до нижнего деления градуированной части. Тогда абсолютный объем порошка, засыпанного в прибор, равен объему вытесненной воды – 20 см3. Остаток порошка взвешивают и подсчитывают массу порошка, всыпанного в прибор, по формуле:

m = m1-m2

Истинную плотность вычисляют по формуле:

Часто плотность материалов относят к плотности воды при температуре равной 4 0C, равной 1 г/см3 , и тогда определяемая плотность становится безразмерной величиной, которую называют относительной плотностью d.

Большинство строительных материалов имеет поры, поэтому истинная плотность у них всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (сталь, стекло) истинная и средняя плотность практически равны, так как объем внутренних пор у этих материалов ничтожно мал.

studfiles.net

Физические свойства — ТехЛиб

Плотность материала является нужной характеристикой при расчете прочности сооружения с учетом собственной массы, для определения способа и стоимости перевозки материала, для расчета складов и подъемно-транспортного оборудования. По величине плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов (известняков) — между прочностью и плотностью.

Истинная плотность — величина, определяемая отношением массы однородного материала m(кг) к занимаемому им объему в абсолютно плотном состоянии Va(м3), т. е. без пор и пустот:

Размерность истинной плотности — кг/м или г/см

Истинная плотность каждого материала — постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Так, истинная плотность неорганических материалов, природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, составляет 2400…3100 кг/м3, органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, — 800… 1400, древесины, состоящей в основном из целлюлозы, — 1550 кг/м3. Истинная плотность метал-лов колеблется в широком диапазоне: алюминия — 2700 кг/м , стали — 7850, свинца — 11300 кг/м3.

В строительных конструкциях материал находится в естественном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно включает в себя и поры. В этом случае для характеристики физического состояния материала используется понятие средней плотности.

Средняя плотность— величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в естественном состоянии Ve (м ):

Так как Ve > Va(равенство только в абсолютно плотных материалах, не содержащих пор, — стали, стекле, воде), то всегда выполняется и соотношение

Большинство строительных материалов имеют поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и др.) истинная и средняя плотности практически равны, так как объем внутренних пор у них ничтожно мал.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и описан ранее.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. По величине они могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Более крупные поры, например между зернами сыпучих материалов, или полости, имеющиеся, в некоторых изделиях (пустотелый кирпич, панели из железобетона), называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом или водой; в пустотах, особенно в широкополостных, вода не может задерживаться и вытекает.

Пористость стройматериалов — степень заполнения объема материала порами. Пористость — величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчитывают по формуле

Она колеблется в широких пределах: от 0,2…0,8 %— у гранита и мрамора до 75…85 % у теплоизоляционного кирпича и у ячеистого бетона и свыше 90 % —У пенопластов и минеральной ваты.

Значения средней и истинной плотности и пористости некоторых строительных материалов

Материал	Плотность, кг/м		Пористость. %
	средняя	истинная
Гранит	2600…2700	2700…2800	0…2
Тяжелый бетон	2200…2500	2600…2700	2…25
Кирпич	1400…1800	2500…2600	25…35
Древесина	400…800	1500…1550	45…70
Пенопласт	15…100	950… 1200	90…98

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2…5 мм). По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала. Строительный материал тем слабее сопротивляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные показывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно.

Величина прочности также зависит от размеров пор. Она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых материалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень) рассчитывают насыпную плотность.

Насыпная плотность — величина, определяемая отношением массы материала т (кг) к занимаемому им объему в рыхлом состоянии Vn(м ):

Величина Vnвключает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами, называемых пустотами. Если для зернистого материала известны насыпная плотность

и средняя плотность зерен

, то можно рассчитать его пустотность а — относительную характеристику, выражаемую в долях единицы или в процентах:

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры — сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.

Сведения о пористости материала позволяют определять целесообразные области его применения.

Среди физических процессов наибольшее значение в практике имеют воздействия водной и паровой среды, тепловые воздействия, распространение звуковых волн, электротока, ядерных излучений и т. п. Отношение материала к статическому или циклическому воздействию воды или пара характеризуется гидрофизическими свойствами (гигроскопичность, капиллярное всасывание, во-допоглощение, водостойкость, водопроницаемость, паропроницаемость, влажностные деформации, морозостойкость).

Влажностные деформации — изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при его высыхании называют усадкой (усушкой), а увеличение размеров и объема при увлажнении вплоть до полного насыщения материала водой — набуханием (разбуханием). Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина поперек волокон 30… 100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м; кирпич керамический 0,03…0,1 мм/м; тяжелый бетон 0,3…0,7 мм/м; гранит 0,02…0,06 мм/м).

Водопоглощение — способность пористого материала впитывать и удерживать в порах капельножидкую влагу. Различают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.

Водопоглощение по массе Wм равно отношению массы воды твн полностью насыщающей материал, к массе сухого материала т

Wм= (твн/m)*100

Водопоглощение по объему Wвн %, характеризует степень заполнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощение как отношение объема воды Vвн при полном насыщении материала к его объему Ve

Водопоглощение по объему можно вычислить при известных значениях водопоглощения по массе и средней плотности мате-риала, используя формулу

Водопоглощение материалов, зависящее от характера пористости, может изменяться в широких пределах. Значения WMсоставляют для гранита 0,02…0,7 %, тяжелого бетона — 2…4, кирпича 8…20, легких теплоизоляционных материалов с открытой пористостью — 100 % и более. Водопоглощение по объему Woне превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

Величины Woи Wмхарактеризуют предельный случай, когда материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных конструкциях материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельножидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных паров из воздуха. В этом случае состояние материала характеризуют влажностью.

Влажность — отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале mв, к массе (реже — к объему) материала в сухом состоянии тс

W=(mв/m)* 100.

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины WM, соответствующей максимальному водосодержанию. Увлажнение приводит к изменению многих свойств материала: повышается масса строительной конструкции, возрастает теплопроводность; под влиянием расклинивающего действия воды уменьшается прочность материала.

Для многих строительных материалов влажность нормирована. Так, влажность молотого мела — 2 %, стеновых материалов -5…7, воздушно-сухой древесины- 12…18 %.

Водостойкость — свойство материала сохранять прочность при насыщении его водой. Критерием водостойкости строительных материалов служит коэффициент размягчения — отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, RBк прочности при сжатии сухого материала Rc

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называют водостойкими.

Водонепроницаемость— свойство материала сопротивляться проникновению в него воды под давлением. Это свойство особенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой по W (W-2…W-8), обозначающей максимальное одностороннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по истечении которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол).

Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность вызывается сорбцией, представляющей собой физико-химический процесс поглощения водяных паров из воздуха как в результате их адсорбции на внутренней поверхности материала, так и капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация возможна только в капиллярах с малым радиусом (менее 10~7 м), так как разность давлений насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью мениска и плоской поверхностью в капиллярах с большим радиусом несущественна.

Гигроскопичность зависит как от свойств материала — величины и характера пористости, так и от условий внешней среды—температуры и относительной влажности, а для сыпучих материалов также от их растворимости в воде и дисперсности и снижением температуры воздуха. Этот процесс носит обратимый характер. Гигроскопичность характеризуется величиной отношения массы поглощенной материалом влаги, при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 °С, к массе сухого материала, выраженной в процентах.

Капиллярное всасывание (подъем) воды пористым материалом происходит по капиллярным порам, когда часть конструкции соприкасается с водой. Например, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Капиллярными называют поры с такими условными радиусами, при которых их капиллярный потенциал (потенциальная энергия поля капиллярных сил, отнесенных к единице массы жидкости) значительно больше потенциала поля тяжести.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Более точно, учитывая неправильную форму пор в материале и их изменяющееся поперечное сечение, высоту всасывания воды определяют экспериментально по методу «меченых атомов» либо по измерению электропроводности материала.

Для оперативного контроля влажности преимущественно сыпучих материалов (например, заполнителей для бетона — песка, щебня) применяют диэлькометрический и нейтронный методы. Диэлькометрический метод измерения основан на зависимости между влажностью и диэлектрической проницаемостью материала. В нейтронном методе используется связь влажности и степени замедления быстрых нейтронов, проходящих через материал.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свойства: увеличивается плотность и теплопроводность, происходят некоторые структурные изменения в материале, вызывающие появление в нем внутренних напряжений, что, как правило, приводит к снижению прочности материала.

Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.

Многократное гигроскопическое увлажнение и высушивание вызывает в материале знакопеременные напряжения и со временем приводит к потере им несущей способности.

Влагоотдача — свойство, характеризующее скорость высыхания материала, при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдача обычно характеризуется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после строительства, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим (воздушно-влажным) состоянием.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м2 поверхности материала при заданном давлении воды. Для определения водопроницаемости используют различные устройства, позволяющие создавать нужное одностороннее давление воды на поверхность материала. Методика определения зависит от назначения и разновидности материала. Водопроницаем мость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше его водопроницаемость.

При выборе стройматериалов для специальных целей (кровельные материалы, бетоны для гидротехнических сооружений, трубы и др.) чаще оценивают не водопроницаемость, а водонепроницаемость, характеризуемую периодом времени, по истечении которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец испытуемого материала (кровельные материалы), или предельной величиной давления воды (Па), при котором вода не проходит через образец (например, бетон).

Паропроницаемость и газопроницаемость — способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, численно равным количеству водяного пара, проникающего через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, и разностью парциальных давлений пара в 133,3 Па. Аналогичным коэффициентом оценивается и газопроницаемость (воздухопроницаемость). Эти характеристики определяются для комплексной оценки физических свойств строительного материала или при его специальном назначении. Материалы для стен жилых зданий должны обладать определенной проницаемостью (стена должна «дышать»), т. е. через наружные стены происходит естественная вентиляция. Наоборот, стены и покрытия влажных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения в них водяного пара, особенно зимой, когда содержание пара внутри помещения значительно больше, чем снаружи, и пар, проникая в холодную зону ограждения, конденсируется, резко повышает влажность в этих местах. В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость (емкости для хранения газов и др.).

Морозостойкость — свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях 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 при некоторых условиях сотен МПа.

Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Однако у многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.

При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80 % объема пор. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при —15, —17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Выбор температуры замораживания не выше —15, —17 СС вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в СНиПах и ГОСТах на материалы.

Марка по морозостойкости (F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300 для каменных материалов) характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания, которое выдержал материал, при допустимом снижении прочности или уменьшении массы образцов.

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 снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренный метод, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при ее высыхании в порах образцов воспроизводит механическое действие замерзающей воды, но в более сильной степени, так как образующиеся кристаллы крупнее (значительное увеличение объема). Один цикл таких испытаний приравнивается 5…10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. С некоторым приближением о морозостойкости можно косвенно судить по величине коэффициента размягчения. Большое понижение прочности вследствие размягчения материала (больше 10 %) указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на морозостойкости материала.

Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию характеризуется его теплопроводностью, теплоемкостью, термической стойкостью, огнестойкостью, огнеупорностью.

Теплопроводность — сp align=»JUSTIFY»/td/spanвойство стройматериала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность К [Вт/(м*°С)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 °С.

Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, покрытий и перекрытий), и материалов, предназначенных для тепловой изоляции. Теплопроводность материала зависит от его строения, химического состава, пористости и характера пор, а также влажности и температуры, при которой происходит передача теплоты.

Теплопроводность характеризуют коэффициентом теплопроводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях 1 °С в течение 1 ч. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м *°С), равен: для воздуха — 0,023; для воды — 0,59; для льда — 2,3; для керамического кирпича — 0,82. Воздушные поры в материале резко снижают его теплопроводность, а увлажнение водой сильно повышает ее, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.

С ростом температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется повышением кинетической энергии молекул, слагающих вещество материала, и определяется по формуле

где и — теплопроводность соответственно при температурах t и 0 °С; — температурный коэффициент, показывающий величину приращения коэффициента теплопроводности материала при повышении температуры на 1 °С; t — температура материала, °С.

Теплоемкость — свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Материалы с, высокой теплоемкостью могут выделять больше теплоты при последующем охлаждении. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, пола, перегородок и других частей помещений температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время. Теплоемкость оценивают коэффициентом теплоемкости (удельной теплоемкостью), т. е. количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 °С.

Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью [4,2 кДж/(кг*°С)]. Например, коэффициент теплоемкости лесных материалов 2,39…2,72 кДж/(кг*°С), природных и искусственных каменных материалов — 0,75…0,92 кДж/(кг*°С), стали — 0,48 кДж/(кг*°С). Поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.

Коэффициент теплоемкости материалов используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций (стен, перекрытий), подогрева материала при зимних работах (бетонных, каменных и т. д.), а также при расчете печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя удельную объемную теплоемкость, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 м3 материала на 1 °С.

Термическая стойкость — способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений. Это свойство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент линейного температурного расширения характеризует удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, коэффициент объемного расширения характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1 °С.

Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше и его термическая стойкость, т. е. большое количество циклов резких смен температуры он может выдержать. Так, каменные материалы из мономинеральных горных пород (мрамор) более термостойки, чем породы, сложенные из нескольких минералов (например, гранит). При жестком соединении материалов с различными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и, как результат, — коробление и растрескивание материала. Во избежание этого конструкции большой протяженности разрезают деформационными швами.

Огнестойкость— свойство материала выдерживать без разрушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери прочности. По огнестойкости различают материалы несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию — кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы — мрамор, стекло, асбестоцемент — при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции сильно деформируются и теряют прочность.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры медленно воспламеняются, но после удаления источника огня их тление или горение прекращается. К таким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина.

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня. Это — древесина, обои, битуминозные кровельные и полимерные материалы и др.

Предел огнестойкости — это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают потерю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возникновение в ней сквозных трещин, через которые на противоположную поверхность могут проникать продукты горения и пламя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной действию огня, который может вызвать самопроизвольное возгорание других частей сооружения.

Огнеупорность— свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и не размягчаясь. Огнеупорные материалы (динас, шамот, хромомагнезит, корунд), применяемые для внутренней футеровки промышленных печей, не деформируются и не размягчаются при температуре 1580 °С и выше. Тугоплавкие материалы (тугоплавкий печной кирпич) выдерживают без оплавления и деформации температуру 1350...1580 °С, легкоплавкие (кирпич керамический строительный) — до 1350 °С.

Акустические свойства материалов — это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны — это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук — звукопоглощение.

При падении звуковой волны на ограждающую поверхность звуковая энергия отражается, поглощается и проводится твердым телом. Отношение, характеризующее количество поглощенной энергии Епоглк падающей Епадназывают коэффициентом звукопоглощения α

Коэффициент звукопоглощения зависит от ряда факторов: уровня и характеристик звука (шума), свойств поглощающего материала, способов его расположения по отношению к жесткой поверхности (потолку, стене) и методов измерения.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности и пористости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука, поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются.

Сущность физического явления, происходящего при гашении звука пористым телом, заключается в следующем. Звуковые волны, падая на поверхность такого материала и проникая далее в его поры, возбуждают колебания воздуха, находящегося в узких порах. При этом значительная часть звуковой энергии расходуется. Высокая степень сжатия воздуха и его трение о стенки пор вызывают разогрев. За счет этого кинетическая энергия звуковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеивается в среде.

Гашению звука способствует деформирование гибкого скелета звукопоглощающего материала, на что также тратится звуковая энергия; этот вклад особенно заметен в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористостью при ее общем объеме не менее 75 %.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса: если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание.

Качество звукоизоляционных ограждений оценивают коэффициентом звукопроводности т, представляющим собой отношение количества звуковой энергии, прошедшей через преграду, к звуковой падающей энергии Епад

Придание звукоизолирующих свойств ограждению базируется на трех основных физических явлениях: отражении воздушных звуковых волн от поверхности ограждения, поглощении звуковых волн материалом ограждения, гашении ударного или воздушного шума за счет деформации элементов конструкции и материалов, из которых она изготовлена.

Способность отражать звуковые волны важна для наружных ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения воздушных звуковых волн применяют массивные конструкции с гладкой наружной поверхностью.

Для внутренних помещений высокая отражающая способность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отраженные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном помещении. В данном случае применяют многослойные конструкции, в состав которых входят элементы из звукоизоляционных материалов, эффективность которых оценивается динамическим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных прокладок применяют пористо-волокнистые материалы из минеральной или стеклянной ваты, древесных волокон (древесноволокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.).

Снижению уровня ударных и звуковых шумов способствуют малый динамический модуль упругости звукоизоляционных материалов (до 15 МПа) и наличие воздуха в порах. В данном случае снижение интенсивности звука происходит за счет деформации элементов структуры звукоизоляционных материалов и частично — за счет звукопоглощения.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

tehlib.com

Вопрос 21. Теплопроводность материалов. Способы определения.

Теплопроводность-способность материала пропускать через свою толщу тепло.

Количественно оценивается коэффициентом теплопроводности(лямбда).

Лямбда-количество тепла в ккал проходящих через стену толщиной в 1 м, площадью 1 м^2, при перепаде температур на противоположных сторонах стены в 1 градус и за единицу времени в 1 час( ккал/(мм^2*градус*час)=Вт/(м*градус) )

На практике удобно судить о теплопроводности по плотности материала. Известна формула Некрасова, связывающая теплопроводность(лямбда) с относительной плотностью каменного материала d:

Лямбда=1,16*(на корень квадратный из(0,0196+0,22*d^2))-0,16

Вопрос 22. Звукопроницаемость и звукопоглащаемость материалов. Влияние структуры.

Звукопроницаемость строительных материалов – способность материалов пропускать через свою толщу звуковую волну. Характеризуется звукопроницаемость строительных материалов коэффициентом звукопроницаемости, который показывает относительное уменьшение силы звука при прохождении его через толщу строительного материала. Звукопроницаемость практически является отрицательным свойством строительных материалов. Например, коэффициент звукопроницаемости деревянной перегородки толщиной 2,5 см равен 0,65, а бетонной стены такой же толщины – 0,11.

Звукопоглощение строительных материалов – способность материала поглощать звук или снижать его уровень при прохождении через материал. Эта способность строительных материалов в первую очередь зависит от толщины, пористости материала и многослойности материала. Чем больше пор в материале, тем выше его способность поглощать звук. Звукопоглощение строительных материалов принято оценивать коэффициентом звукопоглощения т. е. отношением энергии, поглощенной материалом, к общему количеству падающей энергии в единицу времени. За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м2 открытого окна. Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1. Если звукопоглощение равно 0, то звук полностью отражается от строительного материала. Если же этот коэффициент приближается к 1 то звук полностью поглощается материалом. Согласно нормативным показателям СНиП стройматериалы, имеющие коэффициент звукопоглощения не менее 0,4 при частоте 1000 Гц, могут относиться к звукопоглощающим материалам. Коэффициент звукопоглощения определяется практическим способом в акустической трубе и подсчитывается по формуле: А(зв)=Е(погл)/Е(пад)

А(зв) — коэффициент звукопоглощения;

Е(погл) — поглощённая звуковая волна;

Е(пад) — падающая звуковая волна;

Вопрос 23. Водостойкость и воздухостойкость: сущность явления, способы оценки.

Водостойкость — способность материала сопротивляться агрессивному воздействию на него воды. Результатом такого воздействия может быть снижение прочности материала, связанное с частичным разрушением структуры вследствие разрыва наиболее слабых химических связей.

Причинами частичного разрушения структуры могут быть следующие:

- адсорбционно-активное воздействие тонких водных пленок на микротрещины, имеющиеся в пористой структуре материала;

- химическое воздействие воды на метастабильные контакты различных фаз;

- деформация структуры в результате процессов набухания и усадки гидрофильных составляющих материала.

Критерием водостойкости принято считать 20%-ное снижение прочности в результате водонасыщения материала. Количественно водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения Кразм, который определяется по формуле

Кразм = (Rсух — Rнас) / Rсух,

где Rсух и Rнас пределы прочности при сжатии соответственно сухих и водонасыщенньхх образцов материала, МПа.

studfiles.net

Гидрофизические свойства строительных материалов

Во время эксплуатации отделочных материалов на них воздействует масса всевозможных факторов, одним из которых является вода (как в виде жидкости, так и в виде водяного пара). Следовательно, гидрофизические свойства строительных материалов должны быть хорошо известны при отделке помещений, в противном же случае возможны весьма неприятные последствия.

Все строительные материалы можно разделить на две большие группы: в первую относятся те, которые смачиваются водой (гидрофильные), во вторую те, которые водой не смачиваются (их называют гидрофобными). В качестве примера гидрофильных строительных материалов можно привести керамику или минеральную штукатурку, а в группу с гидрофобными входит большинство полимеров. Определяется тип материала очень просто – по капле воды: в том случае, если мы будем иметь дело с гидрофильным веществом, угол, образованный стороной капли и поверхностью материала, будет больше 90°, а если вещество гидрофобное, угол окажется меньше 90°.

Рассмотрим некоторые гидрофизические свойства строительных материалов более подробно и начнём мы с гигроскопичности – способности гидрофильных пористых материалов поглощать частицы воды из воздуха, наполненного её парами. Гигроскопичность строительных материалов можно охарактеризовать количеством влаги, поглощённой из воздуха – этот параметр называют сорбционной или гигроскопичной влажностью и его можно определить по нижеприведённой формуле:

Характеризующая гигроскопичность формула расшифровывается следующим образом:

mвл – это масса материала во влажном состоянии, г.

mсух – масса материала в сухом состоянии, г.

Сорбционная влажность становится выше, если в помещении увеличивается влажность воздуха и понижается его температура.

Гигроскопичность строительных материалов бывает различной – к примеру, у гипса она довольно высокая: это вещество способно хорошо поглощать избыточную влагу в воздухе, а затем при её недостатке в окружающей среде отдавать обратно, регулируя таким образом влажностной режим. В большинстве же случаев гигроскопичность строительных материалов негативно сказывается на их свойствах (скажем, древесина разбухает, а некоторые виды обоев теряют свой внешний вид).

Если пористый материал своей поверхностью касается воды, то имеет место, так называемое капиллярное всасывание.

Способность строительного материала впитывать в себя влагу посредством капиллярного всасывания и впоследствии её в себе удерживать принято называть водопоглощением. Зависит водопоглощение от того, насколько много пор содержится в материале, а также от их размера и вида.

Различают водопоглощение по массе и водопоглощение по объёму. Объёмное водопоглощение характеризует степень заполнения объёма исследуемого материала водой и рассчитывается с помощью нижеприведённой формулы:

которая расшифровывается следующим образом: mнас является массой насыщенного влагой образца материала (г), mсух – массой сухого образца материала (г), Ve – объём, который имеет образец материала в естественном состоянии (см3). Объёмное водопоглощение достигает максимум 100% и позволяет оценить лишь открытую пористость исследуемого образца материала (вода не может проникнуть в закрытые поры).

Водопоглощение по массе рассчитывается согласно следующей формуле:

Водопоглощение по массе может превышать 100%.

Гидрофизические свойства строительных материалов включают в себя также влагоотдачу –способность материала отдавать при определённых условиях влагу, заполняющую его поры, в окружающую его среду. Чтобы определить влагоотдачу материала, необходимо узнать, сколько жидкости (в %) испарится из образца за 24 часа при относительной влажности воздуха в 60% и его температуре в 20°С. Масса воды, которая испарилась за сутки при данных условиях, определяется вычетом из массы образца до начала опыта массы этого же образца после окончания опыта.

В том случае, если строительный материал насыщается водой, происходит его разбухание, а если он высыхает и становится меньше в размерах, то этот процесс называется усадкой (либо усушкой). Если пористый отделочный материал долгое время периодически сначала увлажняется, потом высыхает, он разрушается, покрывается трещинами и становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Впрочем, существует ряд материалов, которые хорошо выдерживают постоянные изменения своей влажности – в данном случае речь идёт о воздухостойких материалах.

Некоторые строительные материалы способны пропускать через себя пары воды либо воздух (происходит это тогда, когда с двух сторон материала создаётся разное давление). Коэффициент газопроницаемости (либо паропроницаемости) характеризуется количеством воздуха (либо водяного пара), который проходит сквозь метровый слой материала с площадью 1 м2 в течение 60 минут при разности давлений равной 10 Па.

Описывая гидрофизические свойства строительных материалов, стоит сказать, что параметр паропроницаемости является очень важным при отделке жилых помещений. Дело в том, что стена должна в определённой степени «дышать» (т.е. пропускать через себя частицы пара) – за счёт такой естественной вентиляции в доме устанавливается наиболее благоприятный для человека микроклимат.

Далее поговорим о таком свойстве, как водостойкость строительных материалов.

Водостойкость строительных материалов – это их способность выполнять свои функции даже при увлажнении. Для того, чтобы определить противоположный водостойкости параметр, рассчитывают коэффициент размягчения, представляющий собой отношение предела прочности при сжатии насыщенного влагой материала к пределу прочности сухого материала.

Обязательно стоит принимать во внимание водостойкость строительных материалов, если конструкции из них планируется эксплуатировать во влажной среде, ибо пористый, хорошо набирающий в себя воду материал, всегда становится менее прочным.

Коэффициент размягчения строительных материалов может варьироваться в промежутке от 0 до 1. Высокая водостойкость строительных материалов характеризуется коэффициентом размягчения равным 0,8 и более. К слову, абсолютно водостойким материалом является стекло (коэффициент размягчения равен 1), а совсем неводостойкими – глины (коэффициент размягчения равен 0).

Если строительный материал не только насыщается водой, но ещё при этом и замораживается, его разрушение происходит быстрее. Способность материала во влажном состоянии выдерживать без снижения его эксплуатационных характеристик периодическое замораживание и оттаивание называется морозостойкостью. Чем больше открытых пор у материала, тем сильнее данный материал реагирует на мороз.

Методы определения морозостойкости для разных видов материалов различны, однако один из них мы всё же приведём (метод по ГОСТ 10060.0-95). Согласно этому методу сначала производится насыщение образцов материала водой (24 , 72 или 96 ч), затем происходит замораживание данных образцов на воздухе (температура (-18 ± 2)°С, минимум 4 часа) и их оттаивание в воде (температура (18 ± 2)°С, не менее 4 часов). Насыщение материала водой является предварительной стадией, а замораживание и оттаивание представляют собой один цикл.

Марка по морозостойкости (F) – это число таких циклов, после которого материал остаётся почти таким же прочным, как и до испытаний (95% для тяжёлого бетона, 85% для большей части других материалов, 75% для строительных растворов), на нём не видно следов разрушений, а его масса не изменяется.

www.gmsgroup.ru

Строительные материалы. Основные понятия

ЧАСТЬ 1.

Физико-механические и механические свойства строительных материалов.Механические свойства строительных материалов

В строительстве при возведении зданий и сооружений применяются различные строительные материалы и изделия из них. Основными строительными материалами в промышленном и гражданском строительстве являются цемент, бетон, кирпич, камень, дерево, известь, песок, черные металлы, стекло, кровельные материалы, пластик и другие.

В настоящее время строительная индустрия развивается в направлении создания теплосберегающих строительных материалов. Наиболее перспективными энергосберегающими материалами считаются ячеистые бетоны и бетоны на легких заполнителях.

Материалы, которые не требуют дальних перевозок, добываются или вырабатываются вблизи района строительства, называются местными строительными материалами. К таким материалам обычно относятся песок, гравий, щебень, известь и т. д.

Источником производства строительных материалов служат природные ресурсы страны, которые в качестве строительных материалов могут использоваться в природном состоянии (камень, песок, древесина) или в виде сырья, перерабатываемого на предприятиях промышленности строительных материалов (полистирол, керамзит).

При изучении строительных материалов их можно классифицировать на такие виды: природные каменные материалы, вяжущие материалы, строительные растворы, бетоны и бетонные изделия, железобетонные изделия, искусственные каменные материалы, лесные материалы, металлы, синтетические материалы и т. д.

Все строительные материалы имеют ряд общих свойств, но качественные показатели этих свойств различны.

Физико-механические и механические свойства строительных материалов

Данную группу свойств составляют, во-первых, параметры физического состояния материалов и, во-вторых, свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. К первым относят плотность и пористость материала, степень измельчения порошков, ко вторым — гидрофизические свойства (водопоглощение, влажность, водопроницаемость, водостойкость, морозостойкость), теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, температурное расширение) и некоторые другие. Технические требования на строительные материалы приведены в Строительных нормах и правилах (СНиП).

Истинной плотностью, puназывается масса единицы объема материала, взятого в плотном состоянии. Для определения удельного веса необходимо вес сухого материала разделить на объем, занимаемый его веществом, не считая пор. Вычисляется она по формуле:

pu=m/Va

где m — масса материала, Va — объем материала в плотном состоянии.

Истинная плотность гранита 2,9 г/см3, стали - 7,85 г/см3, древесины - в среднем 1,6 г/см3. Так как большинство строительных материалов являются пористыми, то истинная плотность имеет для их оценки вспомогательное значение. Чаще пользуются другой характеристикой - средней плотностью.

Средней плотностью, pc называется масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и содержащейся в них влагой. Средняя плотность пористого материала, как правило, меньше истинной. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности. Среднюю плотность вычисляют по формуле:

Средняя плотность ячеистого бетона (пенобетона) находится в пределах от 300 кг/м3 до 1200 кг/м3 (ГОСТ 25485 — 89), а полистиролбетона от 150 кг/м3 до 600 кг/м3 (ГОСТ Р 51263 — 99). Изделия (блоки) из этих строительных материалов легки в обращении (штабелировании, транспортировке, кладке).

pc=m/Ve

где m — масса материала, Ve — объем материала.

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

Эту характеристику необходимо знать при расчетах прочности конструкций с учетом их собственного веса, а также для выбора транспортных средств при перевозках строительных материалов.

Относительная плотность, d - отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4оС, имеющая плотность 1000 кг/м3.

Пористостью, П называется отношение объема пор к общему объему материала. Пористость вычисляется по формуле

Современные энергосберегающие строительные материалы обладают высокими показателями пористости (до 95%) и, соответственно, низкой теплопроводностью. Это связано с тем, что воздух имеет наименьшую теплопроводность.

П=(1 - pc/pu)*100

где pc, pu — средняя и истинная плотности материала.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах, начиная от 0 (сталь, стекло) до 95% (пенобетон).

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость). Истинная, средняя плотности и пористость материалов — взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1. НаименованиеПлотность, кг/м3Пористость, %Теплопроводность,Вт / (м * оС)истиннаясредняя

Гранит	2700	2500	7,4	2,8
Вулканический туф	2700	1400	52	0,5
Керамический кирпич
- обыкновенный	2650	1800	32	0,8
- пустотелый	2650	1300	51	0,55
Тяжелый бетон	2600	2400	10	1,16
Пенобетон	2600	700	85	0,18
Полистиролбетон	2100	400	91	0,1
Сосна	1530	500	67	0,17
Пенополистирол	1050	40	96	0,03

Водопоглощением материала называется его способность впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно определяется как разность весов образца материала в насыщенном водой и сухом состояниях и выражается в процентах от веса сухого материала (водопоглощение по массе) или от объема образца (водопоглащение по объему).

Водопоглощение определяют по следующим формулам:

Ячеистые бетоны (пенобетон, газобетон), как и бетоны на легких заполнителях (полистиролбетон, керамзитобетон) обладают невысокими показателями водопоглощения 6 — 8 %.

WM=(mв- mc)/mc и Wo=(mв- mc)/V

где mв — масса образца, насыщенного водой, mc — масса образца, высушенного до постоянной массы, V — объем образца.

Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость:

Wo=WM*pc

Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой.

В результате насыщения материала водой его свойства существенно изменяются: уменьшается прочность, увеличивается теплопроводность, средняя плотность и т. п.

Влажность материала W определяется содержанием воды в материале в данный момент, поэтому процент влажности ниже, чем полное водопоглощение. Она определяется отношением воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Влажность вычисляется по формуле:

W=(mвл- mc)/mc*100

где, mвл, mс— масса влажного и сухого материала.

Водопроницаемостью называется способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров для воды.

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду под давлением. Очень плотные материалы (сталь, битум, стекло) водонепроницаемы.

Морозостойкостью называется способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности.

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 водой.

Образцы испытываемого материала, в зависимости от назначения, должны выдержать от 15 до 50 и более циклов замораживания и оттаивания. При этом испытание считается выдержанным, если на образцах нет видимых повреждений, потеря в весе не превышает 5%, а снижение прочности не превосходит 25%.

Морозостойкость имеет большое значение для стеновых материалов, которые подвергаются попеременному воздействию положительной и отрицательной температуры, и измеряется в циклах замораживания и оттаивания.

Теплопроводностью называется способность материала проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал.

Чем больше пористость и меньше средняя плотность, тем ниже коэффициент теплопроводности. Такой материал имеет большее термическое сопротивление, что очень существенно для наружных ограждающих конструкций (стен и покрытий). Материалы с малым коэффициентом теплопроводности называются теплоизоляционными материалами (минеральная вата, полистирол, пенобетон, полистиролбетон и др.) Они применяются для утепления стен и покрытий. Наиболее теплопроводными материалами являются металлы.

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды составляет 0,58 Вт/(м*оС), а воздуха 0,023 Вт/(м*оС), т.е. превышает его в 25 раз. Коэффициенты теплопроводности отдельных материалов приведены в таблице 1.

Огнестойкостью называется способность материалов сохранять свою прочность под действием высоких температур. Сопротивление воспламенению определяется степенью возгораемости. По степени возгораемости строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Полистиролбетон относится к слабогорючим материалам и имеет группу горючести Г1. Ячеистые бетоны не горючие материалы.

Несгораемые материалы не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К ним относятся каменные материалы (бетон, кирпич, гранит) и металлы.

Трудносгораемые воспламеняются с большим трудом, тлеют или обугливаются только при наличии источника огня, например фибролитовые плиты, гипсовые изделия с органическим заполнением в виде камыша или опилок, войлок, смоченный в глиняном растворе, и т. п. При удалении источника огня эти процессы прекращаются.

Сгораемые материалы способны воспламеняться и гореть или тлеть после удаления огня. Такие свойства имеют все незащищенные органические материалы (лесоматериалы, камыш, битумные материалы, войлок и другие).

Огнеупорностью называют свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не расплавляясь и не размягчаясь. По степени огнеупорности материалы подразделяют на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживают температуру 1580оС и выше, тугоплавкие — 1350 — 1580оС, легкоплавкие — менее 1350оС. Огнеупорные материалы используются при сооружении промышленных печей, для обмуровки котлов и тепловых трубопроводов (огнеупорный кирпич, жаростойкий бетон и т. п.).

Механические свойства строительных материалов

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

Прочностью называется свойство материала сопротивляться разрушению и деформации от внутренних напряжений под действием внешних сил или других факторов (неравномерная осадка, нагревание и т.д.). Прочность материала характеризуют пределом прочности или напряжением при разрушении образца. При сжатии это напряжение определяется делением разрушающей силы на первоначальную площадь образца.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах.

Современные энергосберегающие конструкционные материалы, как правило, обладают достаточной прочностью на сжатие для возведения жилых помещений. Так, например, полистиролбетон плотностью 600 кг/м3 соответствует классу прочности В2. Ячеистый бетон плотностью 700 кг/м3 соответствует классу В2,5.

Важнейшим свойством бетона является прочность. Лучше всего он сопротивляется сжатию. Поэтому конструкции проектируют таким образом, чтобы бетон воспринимал сжимающие нагрузки. И только в отдельных конструкциях учитывается прочность на растяжение или на растяжение при изгибе.

Прочность при сжатии. Прочность бетона при сжатии характеризуется классом или маркой (которые определяют чаще всего в возрасте 28 суток). В зависимости от времени нагружения конструкций прочность бетона может назначаться и в другом возрасте, например 3; 7; 60; 90; 180 суток.

В целях экономии цемента, полученные значения предела прочности не должны превышать предел прочности, соответствующей классу или марке, более чем на 15%. Класс представляет собой гарантированную прочность бетона в МПа с обеспеченностью 0,95 и имеет следующие значения: Bb1 — Bb60, с шагом значений 0,5. Маркой называется нормируемое значение средней прочности бетона в кгс/см2 (МПа*10).

При проектировании конструкции чаще всего назначают класс бетона, в отдельных случаях — марку. Соотношения классов и марок для тяжелого бетона по прочности на сжатие приведены в таблице 2.

Таблица 2. КлассBb, МПаМаркаКлассBb, МПаМарка

Bb3,5	4,5	Mb50	Bb30	39,2	Mb400
Bb5	6,5	Mb75	Bb35	45,7	Mb450
Bb7,5	9,8	Mb100	Bb40	52,4	Mb500
Bb10	13	Mb150	Bb45	58,9	Mb600
Bb12,5	16,5	Mb150	Bb50	65,4	Mb700
Bb15	19,6	Mb200	Bb55	72	Mb700
Bb20	26,2	Mb250	Bb60	78,6	Mb800
Bb25	32,7	Mb300

На прочность бетона влияет ряд факторов: активность цемента, содержание цемента, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество заполнителей, качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения бетона, повторное вибрирование.

Истираемость — способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок дорог.

перейти к второй части

Авторы статей «Строительная Лоция» сотрудники МП «ТЕХПРИБОР»Векслер М.В.Липилин А.Б.

С использованием материалов

Основы строительного дела.Е.В. Платонов, Б.Ф. ДраченкоГОССТРОЙИЗДАТ УССР, Киев 1963.

www.tpribor.ru

13.Строительный гипс. Сырье. Производство.

1.Средняя плотность материала. Определение. Расчетная формула. Средняя плотность – отношение массы к объему в естественном состоянии (с порами и пустотами).

ρ = m0 /v [г/см3; кг/см3];

v = vабс + vпор;

1 г/см3 = 1000 кг/м3;

2.Истинная плотность материала. Определения. Расчетная формула. Истинная плотность – отношение массы к объему в абсолютном плотном состоянии, т. е. без пор и пустот.

ρi=m/va[г/см3];

va=v-vпор;

3.насыпная плотность материала. Определение. Расчетная формула. Насыпная плотность – отношение массы к объему в рыхло насыпном состоянии с учетом межзерновых пустот определяется только для сыпучих материалов.

ρн=m/Vн Vн=Vест-Vпустот. насыпная > чем средняя, средняя > чем истинная.

4. Пустотность. Определение. Расчетная формула. Пустотность – доля межзерновых пустот в насыпном объеме материале. Определяется только для сыпучих материалов (песок, щебень и т. д.). Пу – пустотность.

Пу = vпустот/vн = (vн-v)/vн = 1-v/vн = 1- (m0*ρн )/(ρ0*m) = 1- ρн/ρ0 ;

Vн – объем материала в насыпном состоянии.

Vн = v + vпустот ;

ρ0 = m0/v → v = m0/ρ0 ;

ρн = m/vн → vн = m/ρн ;

Пу = (1 – ρн/ρ0)*100%

5.Пористость. Определение. Расчетные формулы. Пористость – степень заполнения объема материала порами.

Виды пористости:

1.общая пористость (П0)

П0 = vпор/v = v-vа/v = 1 – vа/v = 1 – m*ρ0/ρн*m0 = 1 – ρ0/ρн;

V = vа + vпор;

Vпор = v – vа;

ρн = m/vа → vа = m/ρн;

v = m0/ρ0;

По=1-ρ0/ρн*100%;

П0 = Поткрытая + Пзакрытая;

2.Открытая пористость

Покр = (mнасыщ – mсух )/vρв*100%;

3.Закрытая пористость

Пзакрытая = П0 – Поткрытая;

Пористость зависит от структуры материала. Количество пор влияет на важнейшие свойства материала:

плотность, прочность, теплопроводность, морозостойкость и т. д.

6.Водопоглащение. Определение. Расчетные формулы. Водопоглащение – свойства материала поглощать и удерживать воду при непосредственно контакте с ней.

Виды поглащения:

1.Массовое водопоглащение (Вm)

Вm= (mнасыщ-mсух )/vρв*100%;

2.Объемное водопоглащение (Вv)

Вv = (mнасыщ-mсух)/vρв*100;

Вv = Потк ;

Bv/Вm= ρ0/ ρводы=d0

7.Влажность. Определение. Расчетные формулы. Влажность – содержание влаги в материале в данный момент времени. W – влажность.

W = (mвлаж-mсух)/mсух*100%

8.Водостойкость. Определение. Расчетные формулы. Водостойкость – способность мат-ла сохранять свою прочность в насыщенном водой состоянии. Количественной характеристикой является коэффициент размягчения. Кразм = Rнас/Rсух

(R – предел прочности, МПа). R > 0,8 – мат-л водостойкий (стекло, пластмасса) R < 0,8 мат-л неводостойкий (гипс) R=0 мат-л полностью размягчается

9.Морозостойкость. Определение. Расчетные формулы. Мор-ть – св-во насыщенного водой или раствором соли материала выдерживать многократное попеременное замораживания или оттаивание без знач-ных признаков разрушения и снижении прочности.

Количественная характеристика – марка по морозостойкости (F), которая показ-ет число циклов попеременного замораживания и оттаивание насыщенного в жидкой среде материала, при которых потеря прочности и массы не привышают указанных в ГОСТе и СНИПе значений.

ΔRn = (R0-Rn/R0)*100%

Δmn = (m0-mn/m0)*100%

ΔRn – потеря прочности насыщения в жидкой среде образца после n циклов замораживания и оттаивания в %.

Δmn – потеря массы насыщенного в жидкой среде образца после n циклов замораживание и оттаивание в %.

R0 и m0 – предел прочности при сжатии в МПа и масса в граммах образца после насыщения в жидкой среде.

Rn и mn– предел прочности в МПа и масса в граммах после n циклов замораживания и оттаивания. Если образцы после замораж. не имеют следов разрушений то степень мороз-ти устанавливают по коэф мороз-сти КF=Rn/ Ro

11.Коэффициент конструктивного качества. Расчетная формула. Коэффициент конструктивного качества используется для оценки прочностной эффективности материала.

К.К.К. = Rсил/d0 [МПа]

d = ρ0/ρводы

10.Понятие прочности строительного материала. Расчетные формулы. Прочность – св-во матер. сопротивляться разрушению под действием внутрен. деформаций, вызваных внешними силами.

Теорет. прочность материала и его твердость зависит от сил взаимодействие м/у атомами, молекулами, ионами образующими их кристаллическую решетку . Чем выше кристалл. решетка, тем выше прочность и твердость.

Прочность материала оценивается пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, к соотвествующей нагрузки, вызвавшей разрушения материала.

Придел прочности при сжатии:

Rсж = N/S [кг*см2/2] = [МПа]

N – неразрушимая нагрузка

S – площадь поперечного сечения образца [см2]

Sкуб=в2; Sцил=пd2/4; Sпризмы=b*l

Придел прочности при изгибе:

При одной симметричной сосредоточенной относительно опор нагрузки:

Rизг = 3Nl/2bh3 [кг/см2] = [МПа]

L - расстояние между опорами (см)

b - ширина образца (см)

h - высота образца (см)

N – Нагрузка

При двух сосредоченных относительно опор нагрузок:

Rизг = Nl/ bh3

Придел прочности при растяжении:

Rраст = N/S [кгс/см2] = [МПа]

12.Классиффикация неорганических вяжущих веществ. Неор-кие вяж-ми ве-ми наз. порошкообразные минеральные матер., которые при смешивании с водой или водными растворами некотырых солей образуют пластично вязкое тесто, способное со временем затвердевать в результате физико-хических процессов.

Классификация:

1. воздушные вяжущие способы затвердевать и длительное времени сохранять свою прочность только на воздухе (строительная воздушная известь, строительный гипс, магнезиальные вяжущие, растворимое стекло).

2. гидравлические вяжущие твердеют и длительное время сохраняют свою прочность не только на воздухе но ив воде. (портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, гидравлическая известь и т. д.)

3.вяжущие автоклавного твердения твердеют при повышенной температуры 170-200 и давлении 0,8-1,2 МПа (известково-кремноземинистые, известково-зольные и т. д)

Стр.гипс- вяжущая смесь, к-ую получают путем термической обработки гипсового камня до полугидрата сульфата кальция.. Его исп-ют для изг-ния строит-ых блоков, при строит-ых работах, а также строит-ый гипс обеспечивает качественную звуко- и теплоизоляцию при внут-их штукатурных работах. Осн-ое сырье для производства гипсовых вяжущих — природный гипсовый камень (Ca$04 2Н О),природный ангидрит (Ca$04) и отходы хим-го производства — фосфогипс и борогипс. Производство. Строит-ый гипс изг-ют путем отжига гипсовой породы в варочных котлах с предварительным размалыванием. При этом он теряет часть химически связанной воды, превращаясь в полуводный сульфат кальция Cа SO4 • 0,5 h3O. Осн-ой проблемой и недостатком строительного гипса является наличие большого кол-ва свободной воды в затвердевшем гипсе. Высокопрочный гипс получают путем термической обработки высокосортного гипсового камня в герметичных аппаратах под давлением пара (автоклав). В этом случае решается проблема снижения водопотребности гипса и соответственно при твердении образуется менее пористый и более прочный камень.

14.Основные свойства строительного гипса. Применение. 1) Тонкость помола оценивают по осадку на сите О2 ТП=m(02)/m*100%. Группа по тонкости: грубый – остаток на сите меньше или равно 23%; средний – 14%; тонкий – 2. 2)Водопотребность (характеризуется норм густотой) НГ=В/Г*100% (В-расход воды, Г-расход гипса).

3) Сроки схватывания опр-ются на приборе Вика с иглой на тесте стандартной консистенции. 4)Марка гипса определяется по пределу прочности при изгибе и сжатии образцов балочек размеров 4*4*16см в возрасте 2 часов твердения. Марка от Г2 до Г25. Применение: для изготовления гипсокортонов, гипсовой сухой штукатурки, архитектурно художественной изделии, гипсо-бетонного изделия.

15. Марка гипса.

Марка гипса определяется по пределу прочности при изгибе и сжатии образцов балочек размером 4х4х16 см в возрасте 2 часа твердения.

Марки от Г2 до Г25. Мпа

16. Воздушная известь. Сырьё. Производство.

Воздушная строительная известь– продукт умеренного обжига кальциево-магниевых карбонатных пород, мела, известняка., с содержанием глинистых примесей до 6%.

Сырьем для производства воздушной извести служат ГП, содержащие в основном углекислый кальций — мел, известняк, известковые туфы и т.д. Известняк обжигают при t=900’-1200’ по сл. реакции CaCO3=CaO+CO2

CO – известь кипелка (негашеная комовая известь).

17. Виды воздушной извести. Свойства. Применение.

Виды:

1)Известь негашеная комовая (CaO).2)Известь негашеная молотая (СаО).3)Известь гашеная (пушоная) (Са(ОН)2) – содержание воды 32%.4)Известь тесто (Са(ОН)2) – содержание воды 50%

По содержанию МgО известь разделяют на 3 вида:1.кольцевая(оксид МgО не более5%).2.магнезиальная(МgО от5-20%).3.доломитовая (МgО 20-40%)

Свойства:

1)активность (А) – процентное содержание оксидов, способных гаситься (активных СаО и MgO) 1сорт – А не менее 90%

2сорт – А не менее 80%

3сорт – А не менее 70%

2)кол-во непогасившихся зёрен

3)время гашения, различают:

а)быстрогасящиеся до 8мин

б)среднегасящиеся не более 25 мин

в)медленногасящиеся более 25 мин

4)прочность извести

Применение:

Известь находит широкое применение в кач-ве вяжущего и водоудерживающего компонента в строительных растворах для кладки, штукатурки, а также в производстве строит.матерниалов как составная часть смешанных вяжущих в-в и в произ-ве силикатногокирпича и силикатных бетонов.

studfiles.net

Гидрофизические свойства строительных материалов

Свойства, связанные с воздействием на материал воды, называются гидрофизическими.

Гигроскопичность — свойство пористо-капиллярного материала поглощать влагу из воздуха. Степень поглощения зависит от температуры и относительной влажности воздуха. С увеличением относительной влажности и снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается. Гигроскопичность характеризуют отношением массы поглощенной материалом влаги при относительной влажности воздуха 100% и температуре +20 °С к массе сухого материала.

Гигроскопичность отрицательно сказывается на качестве строительных материалов. Так, цемент при хранении под влиянием влаги воздуха комкуется и снижает свою прочность. Весьма гигроскопична древесина, от влаги воздуха она разбухает, коробится, трескается. Чтобы уменьшить гигроскопичность деревянных конструкций и предохранить их от разбухания, древесину покрывают масляными красками и лаками, пропитывают полимерами, которые препятствуют проникновению влаги в материал.

Капиллярное всасывание — свойство пористо-капиллярных материалов поднимать воду по капиллярам. Оно вызывается силами поверхностного натяжения, возникающими на границе раздела твердой и жидкой фаз. Капиллярное всасывание характеризуют высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Когда фундамент находится во влажном грунте, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять низ стены здания.

Во избежание сырости в помещении устраивают слой гидроизоляции отделяющий фундамент от стены. С увеличением капиллярного всасывания снижаются прочность, стойкость к химической и морозостойкость строительных материалов.

Водопоглощение — свойство материала при непосредственном соприкосновении с водой впитывать и удерживать ее в своих порах. Водопоглощение выражают степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение по объему Wо) или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала.

Водопоглощение различных материалов находится в широких пределах (% по массе): гранита 0,02...1; плотного тяжелого бетона 2...5; керамического кирпича 8...25; асбестоцементных прессованных плоских листов — не более 18; теплоизоляционных материалов 100 и более.

У высокопористых материалов водопоглощение по массе может превышать пористость, но водопоглощение по объему всегда меньше пористости, так как вода не проникает в очень мелкие поры, а в очень крупных не удерживается. Водопоглощение плотных материалов (сталь, стекло, битум) равно нулю. Водопоглощение отрицательно сказывается на других свойствах материалов: понижаются прочность и морозостойкость, материал набухает, возрастает его теплопроводность и увеличивается плотность.

Влажность — отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе (реже к объему) материала в сухом состоянии. Вычисляется по тем же формулам, что и водопоглощение, и выражается в процентах. При этом массу материала берут в естественно влажном, а не в насыщенном водой состоянии.

При транспортировании, хранении и применении материалов имеют дело не с водопоглощением, а с их влажностью. Влажность меняется от 0 % (для абсолютно сухих материалов) до значения полного водопоглощения и зависит от пористости, гигроскопичности и других свойств материала, а также от окружающей среды — относительной влажности и температуры воздуха, контакта материала с водой и т. д.

Для многих строительных материалов влажность нормирована. Например, влажность молотого мела — 2 %, комового — 12, стеновых материалов — 5...7, воздушно- сухой древесины 12...18%. Поскольку свойства сухих и влажных материалов весьма различны, необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению воды. Во всех случаях - при транспортировании, хранении и применении - строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Водостойкость — свойство материала сохранять прочность при насыщении его водой. Критерием водостойкости строительных материалов служит коэффициент размягчения Кр = К/Кс— отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой прочности сухого материала Кс - Он изменяется от 0 (для глины) до 1 (стекло, металлы). Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называют водостойкими.

Влагоотдача — свойство материала терять находящуюся в его Числовой характеристикой влагоотдачи является количеством воды (в%), испарившейся из образца в течение 1 суток при тнмпературе 20 °С и относительной влажности воздуха 60 %. Влагоотдачу учитывают, например, при уходе за твердеющим бетоном, при сушке оштукатуренных известковым раствором стен и перегородок. В первом случае желательна замедленная, а во втором — быстрая влагоотдача.

Водопроницаемость — свойство материала пропускать через себя воду под давлением. Степень водопроницаемости в основном зависит от строения и пористости материала. Чем больше в материале открытых пор и пустот, тем больше его водопроницаемость.

Водопроницаемость характеризуют коэффициентом фильтрации (м/ч) — количеством воды (в м3), проходящей через материал площадью 1 м2, толщиной 1 м за 1 час при разности гидростатического давления на границах стенки 9,81 Па. Чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка материала по водонепроницаемости. Водонепроницаемыми являются плотные материалы (гранит, металлы, стекло) и материалы с мелкими замкнутыми порами (пенопласты).

Для гидроизоляционных материалов важна оценка не водопроницаемости, а их водонепроницаемости, которая характеризуется или временем, по истечении которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол), или максимальным давлением воды, при котором она еще не проходит через образец материала за время испытания (специальные строительные растворы).

Воздухе-, газо- и паропроницаемость — свойства материала пропускать через свою толщу соответственно воздух, газ и пар. Они зависят главным образом от строения материала, дефектов его структуры и влажности.

Количественно воздухо- и газопроницаемость характеризуются коэффициентами воздухо- и газопроницаемости, которые равны количеству воздуха (газа) (м3), проходящего в течение 1 ч через 1 м2 материала толщиной в 1 м при разности давлений на поверхность в 9,81 Па. Воздухо- и газопроницаемость выше, если в материале больше сообщающихся пор; наличие воды в порах понижает эти свойства материала.

Паропроницаемость возникает при различном содержании и упругости пара по обе стороны поверхности, что зависит от темпертуры водяных паров и характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который равен количеству водяного пара (в г), проникающего в течение 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разности давлений пара на поверхностях 133,3 Па.

Стеновые и отделочные материалы должны обладать определенной проницаемостью, должны «дышать». Достаточные газо- и паропроницаемость стеновых материалов предотвращают разрушение стен снаружи от мороза и при последующем оттаивании. Паронепроницаемые материалы располагают с той стороны ограждения, с которой содержание пара в воздухе больше.

Материалы, насыщенные водой, практически газонепроницаемы. Лакокрасочные покрытия либо уменьшают, либо сохраняют паропроницаемость строительных материалов. Чем меньше паропроницаемость лакокрасочной пленки, тем выше ее антикоррозионные свойства.

Морозостойкость — свойство материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного снижения прочности и массы.

Морозостойкость — одно из основных свойств, характеризующих долговечность строительных материалов в конструкциях и сооружениях. При смене времен года некоторые материалы, подвергаясь периодическому замораживанию и оттаиванию в обычных атмосферных условиях, разрушаются. Это объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9...10%; только очень прочные материалы способны выдерживать это давление льда (200 МПа) на стенки пор.

Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы, которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы пористые с открытыми порами и соответственно с большим водопоглощением часто оказываются не морозостойкими. Материалы у которых после установленных для них стандартом испытаний, состоящих из попеременного многократного замораживания (при температуре не выше —17 °С) и оттаивания (в воде), не появляются трещины, расслаивание, выкрашивание и которые теряют не более 25 % прочности и 5 % массы, считаются морозостойкими.

По морозостойкости, т. е. по числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания, материалы подразделяют на марки: Мрз; 15; 25; 35; 50; 100; 150; 200; 300; 400 и 500. Так, марка по морозостойкости штукатурного раствора Мрз 50 означает, что раствор выдерживает не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания без потерь прочности и массы.

Важно понять, что для пористых материалов особенно опасно совместное действие воды и знакопеременных температур. Морозостойкость зависит от состава и структуры материала, она снижается с уменьшением коэффициента размягчения и увеличением открытой пористости. Критерий морозостойкости материала — коэффициент морозостойкости Кмрз = Кмрз/Кнас — отношение предела прочности при сжатии материала после испытания к пределу прочности при сжатии водонасыщенных образцов, не подвергнутых испытанию, в эквивалентном возрасте.

Для морозостойких материалов мрз должен быть более 0,75. Принято также считать, что если коэффициент размягчения камня не ниже 0,9, то каменный материал морозостоек.

stanislav-lemeshev.narod.ru