Гидрофизические свойства материалов.

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно пористого материала поглощать водяной пар из воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные материалы и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

Типичным представителем гигроскопичных материалов является древесина, так как её влажность зависит от состояния окружающей среды. Если образец древесины поместить в помещение с низкой температурой и высокой степенью насыщения, то он начинает впитывать влагу из окружающей среды. То есть будет происходить процесс сорбции. Если же сырой образец древесины поместить в помещение с комнатными условиями, то из него начнет испаряться влага – будет происходить десорбция. Оба процесса происходят до определенного значения влажности, соответствующего окружающему воздуху. В случае десорбции значение влажности называется равновесным.

Рис. 5 Кривая десорбции

С увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре будет увеличиваться сорбционная влажность данного материала.

Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность сосны W_a = 15 %, W_b =20 %; ячеистого бетона 8 и 12 %; пенополистирол 2 и 10 %; железобетон 2 и 3 %; сталь 0 и 0%.

Капиллярное всасывание (капилляры от латинского волосяной - система сообщающихся мелких пор; трубки с узким каналом) воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляцию, отделяя фундаментную часть конструкции стены от её наземной части.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, полностью погруженным в воду, и выражается в процентах от массы (водопоглощение по массе W_m):

W_m=(m_в – m_с)/m_с ∙ 100 %;

Или от объема (водопоглощение по объему W_v):

W_v = (m_в – m_с)/ V ∙ 100 %

m_в –масса материала после водонасыщения, г;

m_с – масса материала в сухом состоянии, г;

V – объем материала, см³.

Во время водонасыщения вода проникает в материал, а точнее, в его открытые поры. Таким образом, водопоглощение характеризует открытую пористость материала.

Водопоглощение материала зависит от его структуры и его пористости: чем выше открытая пористость, тем больше величина водопоглощения. Водопоглощение строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 для стекла до 100 и более % для пористых теплоизоляционных материалов. Необходимо помнить, что попадая в поры, вода резко изменяет свойства материала, повышая его плотность, теплопроводность, снижая прочность.

Водостойкость (коэффициент размягчения) – способность материала и изделий сохранять прочность в состоянии водонасыщения. Водостойкость характеризуется коэффициентом:

К_в=R_b/R_c,

где R_b и R_c – предел прочности материала при сжатии, соответственно в водонасыщенном и сухом состояниях, МПа.

Время водонасыщения для различных материалов устанавливают в пределах от 1час до 3 сут и более. Иногда водонасыщение обеспечивается кипячением материала в воде.

К водостойким принято относить материалы с коэффициентом К_в не менее 0, 8. Материал, распускающийся в воде (например, глина), характеризуются нулевым значением коэффициента К_в, а не поглощающие воду абсолютно плотные материалы (например, стекло) имеют коэффициент водостойкости 1.

Водостойкие материалы (цементный бетон, строительный раствор, гранит, мрамор и др.) можно применять в конструкциях, контактирующих с водой без специальных мер защиты от увлажнения.

Влажностная деформация. Пористые материалы органические и неорганические (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частиц материала (испарением), и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание происходит при насыщении материала водой. Молекулы воды, проникая между частицами и волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их. При этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц и объем материала увеличивается.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, ускоряющие разрушение.

Наибольшей усадкой характеризуются пористые материалы (например, дерево 30-100 мм/м). Минимальная - у прочных и плотных материалов (например, гранит 0.02 – 0.06 мм/м).

Водопроницаемость –свойство материала пропускать воду под давлением. Эту величину характеризует коэффициент фильтрации К_ф:

К_ф = V_b a / [S (p₂ – p₁) t],

Коэффициент фильтрации равен объему воды V_b, проходящему через стенку площадью S, толщиной а, за время t, при разности гидростатического давления на границах стенки p₂ – p₁ = 1 мм вод. ст.

Водонепроницаемость материала это способность противостоять фильтрующему проникновению воды под давлением. Абсолютной водонепроницаемостью обладают только абсолютно плотные материалы (стекло, битум, сталь). Большинство же строительных материалов (бетон, кирпич и др.) являются пористыми и их водонепроницаемость зависит от пористости (размера, протяженности). Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами.

Водонепроницаемость характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление, при котором образец цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Есть связь между маркой и коэффициентом К_ф.

Газо- паропроницаемость – это способность материала пропускать через свою толщу соответственно газ или водяной пар. При возникновении у поверхности ограждения разности давления газа (воздуха) происходит его перемещение через поры и трещины материала.

За счет чего происходит перемещение водяного пара? С повышением температуры парциальное давление водяных паров возрастает. Таким образом, водяные пары стремятся попасть в область меньшего давления, т. е. на сторону слоя материала с меньшей температурой. Этим объясняется увлажнение изоляции, применяемой для поверхности с отрицательными температурами. Влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля замерзает. Это вызывает ухудшение свойств изоляции и ее разрушение.

Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который определяется количеством водяных паров в граммах, проходящим в течение 1 ч через слой материала площадью 1 м² и толщиной 1 м при разности давлений водяного пара на противоположных поверхностях 133, 3 Па. Размерность этого коэффициента – кг/(м*ч*Па).

Паропроницаемость несет в себе как положительные моменты, так и отрицательные. Благодаря паропроницаемости материал способен «дышать». То есть из помещения с повышенной влажностью перемешать водяной пар наружу и наоборот. В тоже время в помещениях с повышенной влажностью (более 75 %, таких как бани, свинарники, текстильные фабрики и т.п.) влагообмен достаточно высокий. И в зимний период, когда влага будет стремиться наружу, в зону отрицательных температур, произойдет её замораживание, которое может привести к разрушению поверхностного слоя. В этих случаях необходимо учитывать коэффициент паропроницаемости используемых материалов, при необходимости следует произвести гидроизоляцию внутренней поверхности.