Физические свойства

Физические свойства - это свойства, характеризующие физическое состояние материалов, а также 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.

Истинная плотность р_и — масса единицы объема абсолют­но плотного материала (т.е. без пор и пустот):

Ри = m / Va' где т - масса материала, кг; Va' — объем материала в плотном

состоянии, м3.

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

Средняя плотность р_ср - масса единицы объема материала и естественном состоянии (т.е. с порами и пустотами). В ГОСТе она указывается для сухого материала, материала в состоянии естественной или другой влажности. Среднюю плотность вы­числяют по формуле

Рср ⁼ m / Ve'

где т - масса материала, кг; Ve' - объем материала в естествен­ном состоянии, м3.

Среднюю плотность сыпучих материалов (щебня, гравия, пес­ка, цемента и т.п.) 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 (например, сталь, стекло, битум, а также жидкие материалы) имеют прак­тически одинаковую истинную и среднюю плотность.

Пористость П - степень заполнения объема материала по­рами. Она вычисляется в процентах по формуле

П = (1- Pср/Pн) *100

Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 90%.

Для сыпучих материалов определяется пустотностъ (меж­зерновая пористость). Истинная, средняя плотность и порис­тость материала- взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства.

Влажность Вл - 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

Вл = m(сух) - m(сух) / m(сух) х100

где m(вл), m(сух) - масса соответственно влажного и сухого мате­риала, кг.

Водостойкость - способность материала сохранять свою про­чность при насыщении водой. Она оценивается коэффициентом размягчения Kразм, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии (Rвл МПа) к пределу прочности сухого материала (Ксух МПа):

Kразм = Rвл / Rсух

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

Гигроскопичность - способность материала поглощать влагу из окружающего воздуха. Она выражается в процентах как отношение массы воды, поглощенной материалом из воз­духа, к массе сухого материала при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 °С.

Водопоглощение В - способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Оно подразделяется на водо-поглощение по массе и водопоглощение по объему. Водопоглощение по массе (В_т, %) равно отношению массы поглощен­ной образцом воды к массе сухого образца. Водопоглощение по объему (Bv, %) равно отношению массы поглощенной об­разцом воды к объему образца. Их определяют по следующим формулам:

B = m(вл) - m(сух) / m(сух) x100; Bv = m(вл) - m(сух) / V x100,

где m(вл) - масса образца, насыщенного водой, кг; m(сух) - масса образца, высушенного до постоянной массы, кг; V- объем об­разца, м³.

Между водопоглощением по массе и водопоглощением по объему существует следующая зависимость:

Bv= Bv*Pcp

где р_ср — средняя плотность материала, кг/м³.

Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой. Свойства материалов во влаж­ном состоянии изменяются (увеличивается средняя плотность, повышается теплопроводность, уменьшается прочность).

Водопроницаемость — способность материала пропускать через себя воду под давлением. Степень водопроницаемости зависит в основном от строения и пористости материала. Чем больше в материале открытых пор и пустот, тем больше его во­допроницаемость. Водопроницаемость характеризуют массой воды, которая проходит через материал при разности гидро­статического давления на границах материала.

Водонепроницаемость — способность материала сопротив­ляться прониканию в него воды под давлением. Это свойство особенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой (W2...W20), обозначающей максимальное

одностороннее гидростатическое давление, при котором стан­дартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по истечении которого начинается просачивание воды под определенным давлением через образец материала.

Паропроницаемостъ - способность материала пропускать через свою толщу водяной пар. Она характеризуется коэффи­циентом паропроницаемости U, г/(м▪ ч▪ Па), который равен объ­ему водяного пара (V, м³), проходящего через материал толщи­ной δ = 1м, площадью S = 1м³ за время τ = 1 ч при разности парциальных давлений p1 - p2= 133, 3 Па:

μ = Vδ / S(p1 - p2)*τ

Стены и покрытия в помещениях с повышенной влажностью следует защищать от проникания водяного пара.

Морозостойкость — способность материала 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 вызывает растягивающие усилия в материале.

Морозостойкость материала зависит от его плотности и степени заполнения пор водой.

При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплофизическими свойствами. Они важны для теплоизоляционных и жаростой­ких материалов, для материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих при тепловой обработке. К этим свой­ствам относятся теплопроводность, теплоемкость, огнестой­кость, огнеупорность и др.

Теплопроводность - способность материала проводить теп­лоту. Теплопередача происходит в результате перепада темпе­ратур между поверхностями, ограничивающими материал. Теплопроводность зависит от коэффициента теплопроводнос­ти λ, Вт/(м • °С), который равен количеству теплоты (Q, Дж),

проходящей через материал толщиной S = 1м², площадью 5= 1м² за время t = 1 ч при разности температур между поверхностями t2 – t1 = 1 °С

Теплопроводность материала зависит от его средней плотно­сти, химического состава, структуры, характера пор, влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность ма­териала оказывает его средняя плотность. При известной сред­ней плотности можно, пользуясь приведенной ниже формулой, вычислить ориентировочный коэффициент теплопроводности материала в воздушно-сухом состоянии:

.

Теплопроводность материала значительно возрастает при его увлажнении. Это объясняется тем, что коэффициент тепло­проводности воды составляет 0, 58 Вт/(м * °С), а воздуха -0, 023 Вт/(м * °С).

В табл. в качестве примера приведены данные о ячеи­стых бетонах, показывающие зависимость коэффициента теп­лопроводности от их средней плотности и влажности.

Теплоемкость - способность материала поглощать теплоту при нагревании. Она характеризуется удельной теплоем­костью с, Дж/(кг • °С), которая равна количеству теплоты (Q,, Дж), затраченной на нагревание материала массой т = 1 кг, чтобы повысить его температуру на t₂ –t₁= 1°С: Удельная теплоемкость каменных материалов составляет 755...925 Дж / (кг • °С), лесных - 2420...2750 Дж/(кг•°С). Наибольшую теплоемкость имеет вода (4900 Дж/(кг • °С)).

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

Огнестойкость — способность материала не разрушаться под воздействием высоких температур, пламени и воды в усло­виях пожара.

По огнестойкости материалы подразделяются на несгорае­мые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы (каменные материалы, металлы) не горят, не тлеют и не обугли­ваются.

Трудносгораемые материалы (например, древесина, пропитанная антипиренами) обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются. При удалении источника огня или высокой температуры эти процессы прекращаются. Сгораемые матери­алы горят или тлеют. При удалении источника огня или высокой температуры горение и тление продолжаются. К сгораемым от­носят все незащищенные органические материалы.

Огнеупорность - способность материала выдерживать дли­тельное воздействие высоких температур, не размягчаясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы подраз­деляются на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. Огне­упорные выдерживает температуру 1580 °С и выше, тугоплав­кие - 1350... 1580, легкоплавкие - менее 1350 °С.

Радиационная стойкость ~ способность материала сохра­нять свои структуру и свойства при воздействии ионизирую­щих излучений. Под влиянием излучений в материале могут произойти глубокие изменения - переход от кристаллического состояния в аморфное.

Защитные свойства материала определяются его способ­ностью задерживать гамма- и нейтронное излучения. Они оце­ниваются по толщине слоя материала, который ослабляет ионизирующее излучение в два раза. Толщина слоя половин­ного ослабления излучений Tyj Для бетона составляет 0, 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).

При воздействии звука на материал проявляются его акус­тические свойства. По назначению акустические материалы

делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирую­щие, виброизолирующие и вибропоглощающие.

Звукопоглощающие материалы предназначены для по­глощения падающего на их поверхность шумового звука. Ос­новной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов является значение коэффициента звукопоглоще­ния, равное отношению количества поглощенной материа­лом звуковой энергии к общему количеству падающей энер­гии на материал в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звуко­поглощения больше 0, 2.

Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструк­ции здания из одного помещения в другое. Оценку эффектив­ности звукоизоляционных материалов проводят по двум ос­новным показателям: динамическому модулю упругости и от­носительной сжимаемости (в процентах) под нагрузкой.

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы пред­назначены для устранения передачи вибрации машин и меха­низмов на строительные конструкции зданий.