Гидрофизические свойства материалов, методы их определения. Влияние влажности на свойство материалов. Влажностные

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).

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. Уменьшение интенсивности капиллярного всасывания указывает на улучшение структуры материала и повышение его долговечности.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно подразделяется на Водопоглощение по массе и объему.

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

Водопоглощение по объему W0, %, равно отношению массы поглощенной образцом воды к объему образца.

Их определяют по следующим формулам:

где mв — масса образца, насыщенного водой, г; mс — масса образца, высушенного до постоянной массы, г; V — объем образца, см3.

Между водопоглощением по массе и объему существует следующая зависимость:

где ρ с — средняя плотность материала, кг/м³

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.

Коэффициент насыщения пор водой- отношение водопоглащения по объему к общей пористости:

Кн=Wo/П

Коэффициент насыщения позволяет оценить структуру материала. Он может изменяться от 0 до1. Уменьшение Кн свидетельствует о сокращении открытой пористости, что проявляется, например, в повышении морозостойкости.

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.

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 гид-ратные 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).

. Водостойкость — способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой: Она оценивается коэффициентом размягчения КРАЗМ, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии RВ МПа, к пределу прочности сухого материала Rсух, МПа:

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

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 (& н< 0, 8). 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.

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.

10. Теплофизические свойства материалов: огнестойкость, огнеупорность (с примерами). Зависимость теплопроводности от строения, пористости влажности материала

Огнестойкость – сво-во материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара без значительной потери несущей способности. По степени огнестойкости строительные материалы делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. 1) Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются под воздействием высоких температур (кирпич), другие могут деформироваться сильно (сталь и другие металлы) или растрескиваться (гранит). Поэтому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами. 2) Трудносгораемые с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только в присутствии огня. При удалении огня эти процессы прекращаются (асфальтовый бетон, фибролит, некоторые пенопласты, пропитанная антипиренами древесина). 3) Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и горят открытым пламенем или тлеют и после удаления источника огня. Такие материалы необходимо защищать от воспламенения. Для этого применяют защитные вещества – антипирены. (Древесина, битумы смолы и др.)

Огнеупорность – св-во материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, выдерживающие температуру белее 1580º С, называют огнеупорными, от 1350º С до 1580 º С – тугоплавкими, ниже 1350 º С – легкоплавкими. Материалы, которые способны длительное время выдерживать температуру до 1000 º С при незначительной потере прочности, относят к жаростойким (кирпич, жаростойкий бетон и др).

Теплопроводность – св-во материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность λ [Вт/(м* º С)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1м площадью 1м² в течение 1с при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 º С. Теплопроводность материала зависит от его химического состава и структуры, степени влажности и характера пористости, а также температуры, при которой происходит процесс передачи теплоты. Материал слоистого или волокнистого строения имеют различную теплопроводность в зависимости от направления потока теплоты по отношению к волокнам. Например, у древесины теплопроводность вдоль волокон в 2 раза выше, чем поперек волокон. Материал кристаллического строения более теплопроводен, чем материал того же состава, но аморфного строения. В значительной мере теплопроводность зависит от величины и характера пор, а также их размера. У пористых материалов тепловой поток проходит через твердый «каркас» материала и воздушные ячейки. Теплопроводность в оздуха очень низка – 0, 023 Вт/(м* º С), а вещества, из которых построен твердый «каркас» материала, имеют значительно большую теплопроводность. Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают меньшей теплопроводностью, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность. Теплопроводность материала зависит от плотности. Для некоторых групп материалов установлена определенная связь между теплопроводностью и относительной плотностью d (формула В. П. Некрасова): λ =1, 16 √ (0, 0196∙ 0, 22d² ∙ 0.16); С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, так как вода имеет теплопроводность, в 25 большую, чем теплопроводность воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, особенно при замерзании воды в порах, так как теплопроводность лбда равна 2, 3 Вт/(м∙ º С), т.е. в 4 раза больше, чем у воды. Теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается с повышением их температуры.

Морозостойкость строительных материалов и методы ее определения, зависимость от различных фокторов. Способы повышения морозостойкости. Значение в прогнозировании долговечности сооружений.

Морозостойкость – св-во материала, насыщенного водой, выдерживать много кратное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости, в основном, зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций зданий и инженерных сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействия 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 в ряде случаев сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиям эксплуатации изготовленных их них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочности материала при его растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80% и объеме пор (k < 0, 8). Разрушение материала при этом наступает после много кратного попеременного замораживания и оттаивания. Моррозостойкостть характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15…-17 º С и оттаивания в воде при температуре около 20 º С. Выбор температуры замораживания не выше -15…-17 º С вызван тем, что при более высокой температуры вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число цикло (марка), которое должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении и климатических условий. 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 не более чем на 15% (для некоторых материалов на 25%). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренные методы испытаний, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при е высыхании в порах образца воспроизводит механическое действие замерзающей воды, но более сильной степени, чем вода при замерзании. Морозостойкость определяет срок службы (долговечность) частей сооружения, подвергающихся много кратному замораживанию и оттаиванию. К ним относятся наружные стены жилых и промышленных зданий, покрытия зданий, сооружения промышленной гидротехники (например, градирни), наружные части гидросооружений, бетонные покрытия дорог и др. Бетон, применяемый в строительстве таких сооружений, должен быть не только прочным, но и морозостойким.

Механические свойства строительных материалов. Прочность, методы определения. Привести значения прочности некоторых важных строительных материалов. Теоретическая прочность и влияние дифектов структуры на прочность (примеры).

Механические свойства - способность м-ла сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры. Внешние силы, действующие на м-л, стремятся его деформировать, т. е. изменить взаиморасположение составляющих частиц, и довести эти изменения до величины, при которой м-л разрушается.

Прочность – св-во м-ла сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформация, возникающим под действием внешних нагрузок и др. факторов.

Прочность материалов явл-ся основной строительной характеристикой, т. к. все м-лы в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, изгиб, растяжение, срез). Значение прочностных показателей позволяет рассчитать механические и экономически целесообразное сечение конструкции из данного материала. Прочность оценивают пределом прочности (Па), который условно равен макс. напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала, и на сжатие. Определяется по формуле: σ =F/A (F – разрушающая сила (Н), А – площадь сечения образца до испытания (м²))

Предел прочности материала характеризует его марку. По пределу прочности при сжатии установлены марки в широких пределах от 0, 5 до 1000 МПа и более. У большинства материалов, кроме древесины, стали и полимеров, предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Например, у каменных мат-лов, работающих в сооружении, действующие напряжения должны быть меньше величины предела прочности, т.е. они должны иметь запас прочности. Необходимость создания запаса прочности вызывается рядом причин: неоднородность материала, возможность значительной деформации еще до предела прочности и появление трещин, усталость мат-ла при переменных нагрузках и его «старение» под влиянием окружающей среды. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества мат-лов, долговечности, класса сооружения. Для оценки прочностной эффективности часто используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.), который определяется делением предела прочности при сжатии на относительную плотность мат-ла: к.к.к.= σ /d. Наряду с прямыми способами оценки прочности строительных мат-ов применяются также методы контроля прочности без разрушения. Широкое распространение получили приборы механического действия, основанные на принципе заглубления в мат-л (например, бетон) и получения величины пластической деформации, а также на принципе упругого откоса от поверхности материала и получения величины упругости деформации. Наиболее популярным является молоток К.П. Кашкарова. При нанесении удара на поверхности материала образуется два отпечатка: на бетоне и на стальном эталоне. По величине этих отношений с помощью тарировочного графика можно получить численные значения показателя прочности бетона. Метод определения прочности бетона основан на зависимости между упругостью бетона, определяемой по величине откоса ударяющего тела, и его прочностью. Величина откоса в процентах к величине пути при ударе молотка характеризует прочность бетона. Для получения численных значений прочности также требуется наличие тарировочной кривой. Для эффективной работы с такими приборами предварительно необходимо проводить тщательную их тарировку, так как результаты измерений оказывает влияние большое количество разнообразных факторов: состав, влажность, температура и пр. К физическим методам контроля относятся электронно-акустические, радиометрические и магнитные методы испытания. Электронно-акустические методы подразделяются на: а) импульсный метод испытаний (применяется для определения изменений структуры и других свойств материала, от которых зависит его прочность, например наличие трещин. Они основаны на определении скорости распространения упругих волн в материале и характеристике их поглощения); б) вибрационный метод испытаний (позволяет оценить не только качество, но и получить представление о наличии дефектов в структуре материала и изделия).

С помощью радиометрических методов можно определить влажность и среднюю плотность материала, степень уплотнения бетонной смеси, расположение арматуры в железобетонной конструкции и т.д. Магнитные методы позволяют определить степень натяжения арматуры при производстве предварительно-натяженных ж/б конструкций, контроля расположения арматуры. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении или после установки в сооружениях.

Прочность некоторых материалов в МПа (кгс/см²):

гранит…………………………………..100-200 (1000-2200)

известняк плотный…………………….10-150 (100-1500)

кирпич глиняный обыкновенный…….7, 5-20 (75-200)

бетон…………………………..………..5-60 (50-600)

сосна (вдоль волокон)……….………..30-45 (300-450)

дуб (вдоль волокон)…………….……..45-50 (400-500)

сталь Ст3……………………….……..380-450 (3800-4500)

Теоретическая прочность одного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Теор. прочность σ _теор получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образовавшихся при разрушении поверхностей. Уравнение Орована-Келли: σ _теор=√ (ЕЭ/а), где Е-модуль упругости, Э-поверхностная энергия твердого тела на 1см², а-межатомное расстояние (в среднем 2*10^-8см). Теоретическая прочность стекла при конатной температуре - 14000МПа, а прочность на растяжение тонких стеклянных волокон (тольщиной 3-5мкм) – 3500-5000 МПа, а обыкновенного стекла - только 70-150 МПа. Следовательно, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала: прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.