Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов.
Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью и пористостью.
Средняя плотность ρс - масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в ГОСТ. Среднюю плотность (в кг/м3, кг/дм3, г/см3) вычисляют по формуле:
где m - масса материала, кг, г; Vе - объем материала, м3, дм3, см3.
При изменении температуры и влажности среды, окружающий материал, меняется его влажность, а следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель средней плотности определяют после предварительной просушки материала до постоянной массы или вычисляют по формуле:
ω-количество воды в материале (доля от его массы);
рмв и рмс-средняя плотность влажного и сухого 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.
Средняя плотность большинства материалов обычно меньше их истинной плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.
Средняя плотность материала является важной 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 средней плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между средней плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов (известняков) - между прочностью и плотностью.
Истинная плотность ρu - масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор и пустот. Вычисляется она в кг/м3, кг/дм3, г/см3 по формуле:
где m - масса материала, кг, г; Vа - объем материала в плотном состоянии, м3, дм3, см3.
Истинная плотность каждого материала - постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.
Относительная плотность d - отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4°С, имеющая плотность 1000 кг/м3. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле:
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.
Пористость П - степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в % по формуле:
где ρс, ρu - средняя и истинная плотности материала.
Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.
Выделяют пористость общую, открытую и закрытую:
По-открытая пористость;
М1, м2-массы материалов в сухом и водонасыщенном состоянии соответственно
Пз-закрытая пористость:
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.
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.
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.
Истинная плотность ρ (г/см 3) - масса в единице объема материала в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот
Средняя плотность ρ 0 (кг/м 3) - масса в единице объема материала в естественном состоянии, то есть вместе с порами и пустотами
Насыпная плотность ρ н (кг/м 3) - отношение массы материала в рыхло-сыпучем состоянии к его объёму. Пористость - степень заполнения объема материала порами. Различают общую, открытую и закрытую пористость.
Открытая пористость П о - количество открытых пор в объеме материала (определяется по водопоглощению)
Закрытая пористость П з - количество закрытых пор в объеме материала
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - это свойства строительных материалов по отношению к действию воды
Гигроскопичность - свойство пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.
Влажность характеризует относительное содержание воды в материале в процентах.
Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Величина водопоглощения зависит от структуры материала и, прежде всего от открытой (капиллярной) пористости.
Различают Водопоглощение по массе В м (%) - отношение массы поглощённой материалом воды mв к массе материала в абсолютно сухом состоянии m
Объёмное водопоглащение В о (%) - отношение объёма поглощённой материалом воды m в /ρ в к его объёму в водонасыщенном состоянии V 2:
Влажностные деформации - это усадка и набухание. Усадка, (усушка) - уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Оно вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием капиллярных сил, стремящихся их сблизить. Набухание (разбухание) - увеличение объема и размеров материала при его увлажнении. Оно происходит вследствие расклинивающего действия воды и уменьшения капиллярных сил.
Водопроницаемость - способность материала пропускать воду через свою толщу. Характеризуется величиной коэффициента фильтрации К ф (м 2 /ч), который определяется количеством воды, прошедшим через 1 м 2 площади в течение 1 ч при постоянном давлении.
Водонепроницаемость - способность материала не пропускать воду, и она связана с коэффициентом фильтрации обратной зависимостью.
Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения K р
Морозостойкость - способность материала выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА характеризуют отношение материала к действию тепла.
Теплопроводность - способность материала передавать тепло от тела большей температурой к менее теплому.
Термическое сопротивление R , (м 2 о С)/Вт, конструкции толщиной δ равно
Теплоемкость определяется количеством теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру 1 о С. Огнеупорность - способность материала выдерживать длительное влияние высоких температур под нагрузкой.
Огнестойкость - способность материала выдерживать кратковременное воздействие открытого огня
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА характеризуют способность материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям под влиянием силовых, тепловых, усадочных или других воздействий.
Механические свойства разделяют на:
- деформативные (упругость, пластичность и другие) и
- прочностные (пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная прочность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).
Пластичность - свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки.
Хрупкость - свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации.
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА — это свойства материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов.
Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением), определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича) основной прочностной характеристикой является предел прочности на сжатие.
Предел прочности на сжатие R сж (МПа) равен максимальному сжимающему напряжению, вызвавшему разрушение материала
P разр - разрушающая сила, Н; F - площадь сечения до испытания, м 2
Предел прочности на сжатие определяют путем нагружения до разрушения стандартных образцов на специальных прессах (испытательных машинах).
По той же формуле определяют предел прочности на растяжение для тex материалов, которые сопротивляются растягивающим напряжениям и деформациям (древесина, металлы и т.п.).
Для многих материалов, (бетон, кирпич, древесина и др.) определяют
Предел прочности на растяжение при изгибе R изг (МПа) по формулам:
Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала.
Твердость каменных материалов, стекла оценивают с помощью шкалы твердости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости (1 —тальк, ...10 — алмаз).
Ударная вязкость (динамическая прочность) - свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам, характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образцу на специальных приборах, называемых копрами, отнесенной к единице объема (Дж/см 3)
Сопротивление истиранию - свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям, характеризуется истираемостью - потерей массы при истирании образца на кругах истирания, отнесенной к его площади (г/см 2)
Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала
Водостойкость – способность материала сохранять прочность при насыщении водой. У одних материалов (например, у цементного бетона) прочность при насыщении водой увеличивается, у других (например, у гипсовых материалов) – резко снижается.
Показателем водостойкости является коэффициент размягчения К разм, который определяется как отношение предела прочности (при сжатии) материала в насыщенном водой состоянии R cx к пределу прочности сухого материала R сж: К разм = R‘ сж / R сж
Значения коэффициента размягчения для различных материалов находятся в интервале от 0 (необожженные глиняные материалы) до 1 (стекло, металлы, битум, фарфор). Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Водостойкими, например являются кварцит, гранит, мрамор и др.
Пористость
Пористость П – степень заполнения объема материала порами. Определяется по формуле П = (1 – γ/ρ)· 100 %; где γ – средняя плотность материала, кг/м 3 ; ρ – истинная плотность материала, кг/м 3 .
Для сыпучих материалов вычисляется межзерновая пористость (пустотность). Она определяется по этой же формуле, только для расчета вместо истинной плотности берут среднюю плотность, или насыпную среднюю плотность.
В объеме материала могут одновременно находиться поры и пустоты. Поры (от греческого порос – выход, отверстие) – это мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой, пустоты – более крупные ячейки и полости между кусками рыхло насыпанного материала, заполненные воздухом.
Пористость материала существенно влияет на такие его свойства, как средняя плотность, прочность, водопоглощение, влажность, водопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность и др.
Примерные значения пористости, %, для некоторых строительных материалов приведены ниже:
металлы и стекло 0
кварцит До 1
мрамор 0,8-3,0
гранит 1-3
кирпич 25-35
туф вулканический 20-60
древесина 50-75
Пористость – физическое свойство, используемое при косвенной оценке водо- поглощения горных пород, их долговечности и т. п. Пористость вычисляют по известным значениям средней и истинной плотности.
Водопоглощение
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в порах воду. Оно, как правило, не характеризует истинную пористость материала, так как часть пор оказывается недоступной для воды, а в заполненных водой порах частично остается воздух. Водопоглощение определяют по массе B мас или объему В об в процентах.
Водопоглощение B мас равно отношению массы воды, поглощенной образцом при насыщении, к массе сухого образца: B мас = [(m 1 – m) / m] 100 %, где m – масса сухого образца, кг; m 1 – масса насыщенного водой образца, кг.
Водопоглощение В об равно отношению массы воды, поглощенной образцом при насыщении, к объему образца: В об = [(m 1 – m) / V] 100 %
Для перехода B мас к В об пользуются фор мулой В об = V мас γ, которая выводится из уравнения В об / В мас = (m 1 – m) / V: (m 1 – m) / m = m / V = γ.
Увлажнение и насыщение строительных материалов водой, как правило, отрицательно влияет на их основные свойства – увеличивает среднюю плотность, тепло- и электропроводность, снижает прочность. Водопоглощение зависит от количества и характера пор. Примерные значения водопоглощения, %, для различных материалов приведены ниже:
кварцит 0,17
гранит 0,09-0,65
мрамор 0,05-0,3
керамическая плитка для полов 1-4
кирпич 8-20
Водопоглощение – важное физическое свойство камня, которым пользуются при ориентировочной оценке его долговечности. Так, например, если указанный параметр у породы не превышает 0,5 %, ее не испытывают на морозостойкость, полагая, что порода имеет вполне достаточную долговечность (в стандартах на блоки и на камни бортовые). У горных пород, используемых при производстве стеновых материалов, водопоглощение не должно превышать: для вулканических туфов – 50, для других пород-30%.
Определение водопоглощения горной породы производят на пяти образцах – кубиках с размером ребра 40-50 мм или цилиндрах с диаметром и высотой 40-50 мм. Каждый образец очищают щеткой от рыхлых частиц, пыли и высушивают до постоянной массы. После полного остывания образцов на воздухе их взвешивают на настольных или циферблатных весах, укладывают в сосуд с водой комнатной температуры в один ряд (уровень воды в сосуде должен быть на 20-100 мм выше верхней грани образцов) и выдерживают в течение 48 ч. Далее образцы вынимают из сосуда,- вытирают досуха мягкой тканью и поштучно взвешивают. При этом массу воды, вытекшей из пор образца на чашку весов, включают в массу насыщенного водой образца.
Водопоглощение горной породы вычисляют как среднее арифметическое результатов определения водопоглощения пяти образцов. Значения этого показателя для наиболее распространенных видов облицовочного камня СНГ даны в приложении.
Влажность
Влажность – количество содержащейся в материале влаги, отнесенное к массе материала в сухом состоянии. Влажность W вычисляют по формуле W = [(m 1 – m) / m] 100 % (здесь m – масса сухого образца, кг; m 1
– масса влажного образца, кг).
Влажность учитывают при транспортировке, хранении и приемке материалов по массе. Она влияет на теплопроводность, устойчивость к гниению и некоторые другие свойства материалов.
Водопроницаемость
Водопроницаемость – свойства материала пропускать воду под давлением. Это одна из главных эксплуатационных характеристик кровельных и гидроизоляционных материалов, брезентов, кожи, Величина водопроницаемости определяется количеством воды (мл), которое пропускает материал в единицу времени (ч) через площадь (1 см 2) при постоянном давлении.
Обратным свойством – водонепроницаемостью – характеризуются особо плотные материалы (например, сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).