Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Физические свойства

Физические свойства определяют физическое состояние материала. К ним относят характеристику структур и массы, отношение материала к воздействию воды, тепла, огня, радиационную стойкость.

Истинная плотность ρ_и – масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор. Вычисляется она в кг/м³, кг/дм³ или г/см³ по формуле

ρ_и = m / V _a,

где m – масса материала кг, г; V _a – объем материала в плотном состоянии,

м³, дм³, см^3..

Истинная плотность большинства минеральных, природных и искусственных строительных материалов составляет 2,4–3,1 г/см³, органических (древесины, битумов, пластмасс) – 1,0–1,6 г/см³.

Средняя плотность ρ_с – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в стандарте. Среднюю плотность в кг/м³, кг/дм³, г/см³ вычисляют по формуле

ρ_с = m / V,

где m – масса материала, кг, г; V – объем материала, м³, дм³,см³.

Средняя плотность материалов изменяется в большом диапазоне. Так, пористая пластмасса может иметь среднюю плотность 10 кг/м³, а сталь – 7850 кг/м³.

Насыпная плотность ρ_н – масса единицы объема сыпучего материала. Ее определяют для щебня, гравия, песка, цемента и др. Насыпную плотность, кг/м³, кг/дм³, г/см³, вычисляют по формуле

ρ_н = m/V,

где m – масса сыпучего материала, кг, г; V – объем сыпучего материала, м³, дм³, см³. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.

Средняя и насыпная плотности большинства материалов обычно меньше истинной их плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.

Среднюю и насыпную плотности материалов необходимо знать для определения массы конструктивных элементов сооружений и зданий при расчете их на прочность, при загрузке транспортных средств, расчете складов и подъемного оборудования.

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

d = ρ_с/ρ_ст.

Пористость П – степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в процентах по формуле

П = (1 – ρ_с/ρ_и)·100,

где ρ_с, ρ_и – средняя и истинная плотности материала.

Для строительных материалов пористость колеблется от 0 до 90 %.

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость).

Истинная, средняя плотности и пористость материалов – взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость, водонепроницаемость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Физические свойства материалов

Наименование	Плотность, г/см³	Пористость, %	Теплопро- водность, Вт/(м °С)
истинная	средняя
Гранит	2,70	2,50	7,4	2,80
Вулканический туф	2,70	1,40	52,0	0,50
Керамический кирпич: полнотелый пустотелый	2,65 2,65	1,80 1,30	32,0 51,0	0,80 0,55
Бетон: тяжелый легкий ячеистый	2,60 2,60 2,60	2,40 1,00 0,50	10,0 61,5 81,0	1,16 0,35 0,20
Древесина сосны	1,53	0,50	67,0	0,17
Минераловатные плиты	2,70	0,05	98,0	0,047
Пенополистирол	1,05	0,04	96,0	0,03

Влажность W – содержание воды в материале в данный момент. Она определяется отношением массы воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется в процентах по формуле

W = (m _в – m _с) / m _с · 100,

где m _в, m _с – масса влажного и сухого материалов, г.

Водостойкость – способность материалов сохранять свою прочность при насыщении водой. Она оценивается коэффициентом размягчения К _разм, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии Rв, МПа, к пределу прочности сухого материала R _с, МПа:

К _разм = R _в / R _с.

Для разных материалов К _разм = 0 … 1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее К _разм = 0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них К _разм = 1. Строительные материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде.

Гигроскопичность – способность материалов поглощать водяной пар из окружающего воздуха и конденсировать в капиллярах. Она выражается в процентах как отношение массы поглощенной материалом воды (сорбции) к массе сухого материала при относительной влажности воздуха 100 % и температуре 20 °С.

Если поглощенная вода химически взаимодействует с материалом, то такой процесс называют хемосорбцией.

Гигроскопичность зависит от природы материалов. Одни из них, например древесина, активно притягивают молекулы воды. Их называют гидрофильными. Другие же, например битум, не смачиваются водой. Их называют гидрофобными. Придание материалу гидрофобных свойств улучшает его свойства.

Влагоотдача – способность материалов отдавать воду в окружающий воздух. Она характеризуется скоростью высыхания, которая определяется количеством воды, отдаваемой материалом в сутки, при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С. Вода испаряется до состояния материала пока не установится равновесие между его влажностью и влажностью окружающего воздуха, т. е. достижения материалом воздушно-сухого состояния.

Скорость высыхания имеет практическое значение для стеновых блоков, панелей. мокрой штукатурки и др. Конструкции с повышенной влажностью задерживают отделочные работы.

Водопоглощение – способность материалов впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно подразделяется на водопоглощение по массе и объему.

Водопоглощение по массе W _м, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему W _о, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к объему образца.

Их определяют по следующим формулам:

W _м = (m _в – m _с) / m _с · 100 и W_о = (m _в – m _с) / V · 100,

где m _в – масса образца, насыщенного водой, г; m _с – масса образца, высушенного до постоянной массы, г; V – объем образца, см³.

Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость:

W _о = W _м d _с,

где d_с – относительная плотность материала.

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

Материалы во влажном состоянии изменяют свои свойства. Увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность.

Воздухостойкость – способность материала не изменять длительное время свои свойства при периодическом гигроскопическом увлажнении и высыхании. Изменение влажности приводит к разбуханию и усадке материала и со временем – к его разрушению. Воздухостойкость гигроскопических материалов повышают гидрофобизацией их поверхности, введением гидрофобных добавок при изготовлении.

Капиллярное увлажнение и диффузия. Капиллярное увлажнение возникает в результате способности воды подниматься по капиллярам на высоту. Высота подъема зависит от тонкости капилляров и степени смачиваемости их стенок. Для кирпичной кладки она может быть более метра.

В материалах возможна диффузия воды, которая передвигается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью и равномерно распределяется по всему объему.

Для защиты от капиллярного увлажнения и диффузии воды конструкции защищают гидроизоляционными материалами. Например, между фундаментом здания и стеной устраивают гидроизоляцию.

Водопроницаемость – способность материалов пропускать воду под давлением. Она характеризуется коэффициентом фильтрации к _ф, м/ч, который равен количеству воды V _в, м³, проходящей через материал площадью S = 1 м², толщиной α = 1 м за время τ = 1 ч при разности гидростатического давления ρ₁ – ρ₂ = 1 м водного столба:

К _ф = V _вα / [ S τ (р ₁ – р ₂)].

Обратной характеристикой водопроницаемости является водонепроницаемость – способность материала не пропускать воду под давлением.

Водопроницаемость материала зависит от его пористости и характера пор. С водопроницаемостью сталкиваются при возведении гидротехнических сооружений, тоннелей, резервуаров для воды.

Паропроницаемость – способность материалов пропускать водяной пар через свою толщину. Она характеризуется коэффициентом паропроницаемости μ, г/(м · ч · Па), который равен количеству водяного пара в граммах V ρ (V – объем пара в см³; ρ – средняя плотность пара в г/см³), проходящего через материал толщиною α = 1 м, площадью S =1 м² за время τ = 1 ч при разности парциальных давлений р ₁ – р ₂ = 133,3 Па,

μ= V ρα / [ S τ (р ₁ – р ₂)].

При увлажнении стен и покрытий ухудшаются их теплозащитные свойства, происходит разрушение при замораживании.

Ограждения в помещениях с повышенной влажностью следует защищать от проникновения водяного пара паронепроницаемыми материалами. В чердачных перекрытиях пароизоляция по плитам перекрытия часто устраивается из рубероида, обладающего низким коэффициентом паропроницаемости.

Воздухопроницаемость – способность материала ограждения зданий про-пускать через свою толщину воздух. Она характеризуется коэффициентом воздухопроницаемости i, г/(м·ч·Па), который равен количеству воздуха, в граммах V ρ (V – объем воздуха в см³; ρ – средняя плотность воздуха, г/см³, проходящего через материал ограждения толщиною δ = 1 м, площадью S = 1 м², за время τ = 1 ч при разности парциальных давлений р ₁ – р ₂ = 133,3 Па.

i = V ρδ / [ S τ · (р ₁– р ₂)].

Воздух проникает в направлении от большего давления к меньшему. Это явление называется фильтрацией. Фильтрация, происходящая от наружного воздуха ограждения в помещение, называется инфильтрацией, из помещения наружу – эксфильтрацией.

Воздухопроницаемость обеспечивает естественную вентиляцию помещений. Это положительное явление. В зимнее время инфильтрация приводит к потере тепла. В этом проявляется ее отрицательное свойство.

Атмосферостойкость – способность материалов в процессе эксплуатации сохранять свои первоначальные свойства после длительного воздействия атмосферных факторов (колебаний температуры, солнечной радиации, воздуха, увлажнения).

Морозостойкость – способность материалов в водонасыщенном состоянии не разрушаться при многократном попеременном замораживании и оттаивании.

Разрушение происходит из-за того, что объем воды при переходе в лед увеличивается на 9 %. Давление льда на стенки пор вызывают растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материалов зависит от их плотности и степени заполнения пор водой.

Часто наблюдаются случаи разрушения от недостаточной морозостойкости бетонных бортовых камней, цементобетонных покрытий автомобильных дорог, бетона зоны переменного уровня воды мостовых опор и гидротехнических сооружений.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло. Теплопередача происходит в результате перепада температур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность λ, Вт/(м∙°С), равна количеству тепла Q, Дж, проходящего через материал толщиной δ = 1 м, площадью S = 1 м² за время τ = 1 ч при разности температур между поверхностями T ₁– T ₂= 1 °C;

λ = Q δ / [ S τ (t ₁ – t ₂)].

Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор, влажности, температуры.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность оказывает средняя плотность материалов. При известной средней плотности, пользуясь нижеприведенной формулой, можно ориентировочно вычислить теплопроводность, λ, Вт/ (м·°С), материала в воздушно-сухом состоянии

____________________

λ = 1,163· (√ 0,0196 + 0,22ρ²_с– 0,16).

Эта формула дает удовлетворительные результаты при средней плотности материалов от 2500 до 2700 кг/м³.

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением. Это объясняется тем, что теплопроводность воды составляет 0,58 Вт/(м · °С), а воздуха 0,023 Вт/(м · °С), т. е. превышает его в 25 раз. Еще больше теплопроводность льда. Она составляет 2,3 Вт/(м · °С).

С повышением температуры теплопроводность большинства материалов увеличивается и лишь у некоторых (металлов, магнезитовых огнеупорных материалов) уменьшается.

Теплопроводность материала оказывает влияние на термическое сопротивление ограждения, например наружной стены здания, чердачного перекрытия. Термическое сопротивление ограждения R, м² · °С/ Вт, определяется по формуле

R = δ / λ,

где δ – толщина ограждения, м; λ – теплопроводность, Вт/(м · °С).

Термическое сопротивление слоя ограждения прямо пропорционально его толщине и обратно пропорционально теплопроводности его материала.

Теплоемкость – способность материалов поглощать тепло при нагревании. Она характеризуется удельной теплоемкостью с, Дж/(кг · °С), которая равна количеству тепла Q, Дж, затраченному на нагревание материала массой m = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t ₂– t ₁ = 1 °C:

с = Q / [ m (t ₂ – t ₁)].

Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755–925, лесных 2420–2750 Дж/(кг °С). Наибольшую теплоемкость имеет вода – 4200 Дж/(кг °С), поэтому теплоемкость материалов при их увлажнении возрастает.

Теплоемкость учитывается при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.

Огнестойкость - способность материалов не разрушаться от действия высоких температур и воды в условиях пожара.

По огнестойкости материалы подразделяются на негорючие (несгораемые), трудно-горючие (трудно-сгораемые) и горючие (сгораемые).

Негорючие материалы не горят, не тлеют и не обугливаются. Это каменные материалы, металлы.

Трудно-горючие материалы обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются. При удалении источника огня или высокой температуры эти процессы прекращаются. Это древесина, пропитанная антипиренами.

Горючие материалы горят и тлеют. При удалении источника огня или высокой температуры горение и тление продолжается. К ним относят все незащищенные органические материалы.

Строительные материалы по-разному ведут себя под воздействием огня. Так, прочность гранита при нагревании до 200 °С возрастает и составляет 160 % от первоначальной. Затем при повышении температуры до 600 °С она становится равной первоначальной и при 800 °С прочность уменьшается и составляет всего 35 % от первоначальной.

Битумные мастики обладают высокой дымообразующей способностью. Температура их воспламенения составляет 340–350 °С, а самовоспламенение – происходит при 400–450 °С.

Огнеупорность – способность материалов выдерживать длительное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на следующие группы: огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огнеупорные выдерживают температуру 1580 °С и выше, тугоплавкие – 1350–1580 °С, легкоплавкие – менее 1350 °С.

К огнеупорным изделиям относят шамотные изделия изготовленные из огнеупорных глин с добавкой шамота, которые применяют для кладки доменных и мартеновских печей, печей для обжига цементного клинкера и др.

К тугоплавким изделиям относят тугоплавкий кирпич из тугоплавких глин, применяемый для футеровки тепловых установок.

К легкоплавким относят кирпич керамический, изготовленный из кирпичных глин и применяемый для кладки стен.

Радиационная стойкость и защитные свойства материалов. Радиационная стойкость – способность материала сохранять свою структуру и свойства при воздействии ионизирующих излучений. Под влиянием излучений в материале могут произойти глубокие изменения – переход от кристаллического состояния в аморфное.

Защитные свойства материалов определяются их способностью задерживать нейтронное и гамма-излучение. Они оцениваются по толщине слоя материала, который ослабляет величину ионизирующего излучения в два раза. Толщина слоя половинного ослабления излучения Т_1/2составляет для бетона 1 м, для свинца 0,18 м.

Для защиты от гамма-излучения применяются материалы повышенной плотности (особо тяжелые бетоны, свинец, грунт); от нейтронного излучения – вода и материалы, содержащие связанную воду (лимонитовая руда, бетоны с добавками бора, кадмия, лития).

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒