1.1 Фізичні властивості: щільність, пористість, водопоглинання,
Для будівельних матеріалів це найважливіші властивості, що характеризують матеріал. Знаючи густину, можна припускати, яка буде міцність, теплофізичні властивості, морозостійкість.
Визначають густину як масу одиниці об'єму, як правило, це маса 1 см 3 або 1 м 3 .
Якщо зважити одиницю об'єму пористого і абсолютно щільного цього матеріалу, то отримаємо різні маси, і різниця буде тим більше, чим більше пор в матеріалі. Тому в будівельній практиці розрізняють щільність істинну, коли матеріал укладений в абсолютно щільному обсязі, пори відсутні, між частинками твердого тіла немає проміжків (г/см 3 ):
Щільність матеріалу в одиниці об'єму з порами та нещільностями характеризуєсередню щільністьабо, як її раніше називали, об'ємною масою (г/см 3 ):
Якщо матеріал без пір і нещільностей, то його середня щільність дорівнює істинній. Так, у металів, скла, щільних пластиків, глибинних кам'яних порід справжня щільність дорівнює середній. У пористих матеріалів частину обсягу займають пори, тому маса менша. Об'єм у природному стані дорівнює об'єму твердого тіла та об'єму пор (см 3 ):
Для сипких матеріалів визначаютьнасипнущільність, коли одиниця об'єму заповнена зернистими або порошковими матеріалами, в зернах яких можуть бути пори, а можуть і не бути, але завжди є повітряні прошарки між зернами, наприклад, ємність з цементом, піском або щебенем. У цьому випадку між сипучими зернами або частинками залишаються нещільності - порожнечі і тому насипна щільність завжди менша за середню і тим більше істинну щільність.
Вона позначається у тих самих одиницях – г/см 3 або кг/м 3 :
Відноснащільність d виражає щільність матеріалу попо відношенню до щільності води. Як правило, вона відповідає середній щільності:
Пористість загальнаматеріалу визначається як відношення обсягу пір до обсягу матеріалу в природному стані, позначається в частках одиниці або %:
Якщо обсяг часу не відомий, загальну пористість визначають за щільністю. Для цього необхідно знати справжню та середню густини:
де відношення густини істинної до середньої є коефіцієнт густини:
Пористість разом із коефіцієнтом щільності становлять одне ціле, одиницю:
У матеріалі пори можуть бути відкриті та закриті, відокремлені, куди вода при зануренні в неї матеріалу проникнути не може. Як дізнатися, чи є такі пори чи ні?
Легко визначити відкриту пористість, зануривши матеріал у воду. І, знаючи загальну пористість, визначають закриту по різниці:
Відкриту пористість визначають водопоглинанням. Вона дорівнюєводопоглинаннюза обсягом, яке обчислюють за різницею мас вологого та сухого матеріалу:
Чим більше в матеріалізакритих пір,тим менше вологи може утримувати матеріал при намоканні, тим вище йогоморозостійкість ітеплоізоляційнівластивості.
По відкритих капілярах, що сполучені, вода заповнює поровий простір, знижуючи теплоізоляцію, морозостійкість і навіть міцність.
Водопоглинанняпозначають буквою W і визначають як за обсягом (
Відношення
За кількістю поглиненої води обчислюютькоефіцієнт насичення, рівний відношеннюводопоглинання за обсягом до загальної пористості матеріалу:
Відкрита пористість спеціально створюється, якщо потрібний матеріал, що звукогасить, коли звукова хвиля слабшає в лабіринті капілярів. З цією метою матеріали спеціально перфорують, створюють відкриту пористість. Для теплоізоляції, навпаки, потрібні закриті пори з нерухомим повітрям, оскільки повітря найнижча теплопровідність.
Чим більше в матеріалі пор або чим тонше помел матеріалу, тим більше стає його поверхня контакту з повітрям -питома поверхня(поверхня см 2 , що припадає на 1 г речовини), що надає значний вплив на властивості матеріалу. Чим вище питома поверхня, тим вище сорбційні властивості матеріалу – здатність поглинати вологу з повітря та при охолодженні утворювати конденсат. Цю властивість називають гігроскопічності, а такі матеріали -гігроскопічні.
Сорбція або адсорбція виникає у будь-якого матеріалу через ненасиченість енергією крайніх молекул твердого тіла, але у щільних матеріалів або крупнопористих з незначною питомою поверхнею сорбційні здібності незначні. У гігроскопічних матеріалів, наприклад, у деревини у вологому повітрі вологість може зрости до 30%, у пористих бетонів – до 7-8%, що позначиться на теплопровідності (якщо матеріали не висихатимуть).
Чим тонше капіляри, тим вище за ними може піднятися волога та зволожити конструкцію. Таке явище називають капілярним всмоктуванням. Воно небезпечне для стін, тому між фундаментом і стіною завжди кладуть гідроізоляційний матеріал.
Волога в матеріал може потрапити 3 способами: за допомогою капілярного всмоктування; за допомогою капілярної фільтрації або водопроникності, коли вода тисне зверху; за допомогоюкапілярної конденсації, коли адсорбована волога у вигляді пари всередині стіни при зниженні температури перетворюється на воду і може там замерзнути.
Насичуючись вологою і за зміни її повітря, висихаючи, матеріал відчуває вологісні деформації, відбуваєтьсяусадка,за умови насичення вологою –набухання. Чергування висихання та зволоження пористих матеріалів супроводжується поперемінними деформаціями, що прискорюють розтріскування та руйнування матеріалу.
Чим більше матеріал може поглинути вологи, тим більше він має усадку, тим більше постраждає його структура при висиханні і при замерзанні в насиченому водою стані.
Усадка для деяких будівельних матеріалів (мм/м):
деревина (поперек волокон)
Морозостійкість– здатність матеріалу витримувати поперемінне заморожування у насиченому водою стані та відтавання у воді. Вода при замерзанні збільшується в обсязі більш ніж на 9%, кристали льоду, що утворюються, ламають тонкі стінки капілярів, і матеріал руйнується, відшаровуючи більш насичені водою поверхні. Морозостійкість кількісно оцінюється циклами і позначається марками: F25 F50 F100 F200 F300 або більше, тобто. за тим, скільки циклів заморожування зразки витримали без втрати міцності трохи більше 5% чи втрати маси трохи більше 3%. Один цикл – це заморожування до повного промерзання зразків та розморожування їх у воді.
Цегла і пористий бетон мають невелику морозостійкість, тому що в їх структурі мало закритих пір, багато капілярів, що сполучаються (велике водонасичення). А матеріал, насичений водою, має низьку морозостійкість.
Насичений вологою матеріал знижує свої теплозахисні властивості. Найкращий утеплювач у нормальних умовах – це сухе нерухоме повітря, яке може перебувати взакритих порах чи ізольованих осередках. Усі утеплювачі містять дрібні закриті пори.Коефіцієнт теплопровідностіповітря дорівнюєλ= 0,023 Вт/(м°С), тоді як води – 0,58 Вт/(м°С), льоду – 2,3 Вт/( м ° С). Тому всі теплоізоляційні матеріали насичують повітрям, роблять ніздрюватими або волокнистими, і їх треба захищати від зволоження.
Вогнестійкість– властивість матеріалу чинити опір дії вогню протягом певного часу. Ця властивість залежить від можливості матеріалу спалахувати і горіти. Будівельні матеріали з вогнестійкості розділені на: вогнетривкі (цегла, бетон, сталь, камінь), важкозгоральні (асфальтобетон, фіброліт, просочена антипіренами деревина), згоряються (деревина, пластики, руберойд). Для деяких матеріалів визначаютьтемпературостійкість, тобто температуру, при якій зберігається працездатність матеріалу без його деформації. Так, для металів є температура плинності, коли починається розм'якшення та значні деформації – у сталі це 600ºС. Конструкція за такої температури не здатна виконувати свої функції. У сплавів алюмінію це 150-200°С.
Коефіцієнт лінійного температурногорозширення (КЛТР) має значення при коливаннях температури для матеріалів, що працюють спільно під навантаженням. При сезонному чи добовому зміні температури у різних матеріалів виникають різні деформації. Так, у залізобетоні сталева арматура має КЛТР 10 · 10 -6 град -1 , такий самий коефіцієнт і у бетону, тому вони працюють синхронно, не відшаровуючись. Якщо замість сталевої арматури забетонувати деревину, у якої КЛТР вдвічі вище, відбудеться відділення одного матеріалу від іншого, конструкція буде слабшою, бетоном підуть тріщини. Температурні деформації при добових коливаннях температуридосягають 0,5-1 мм/м, що особливо небажано на лінійних багатометрових конструкціях, тому довгомірні конструкції розрізають температурними або деформаційними швами.
При створенні нових композиційних матеріалів цей фактор є однією з умов, обов'язкових для виконання. Іншою умовою є хімічна сумісність компонентів: матеріали не повинні реагувати один з одним. Так, при армуванні цементного бетону скловолокном, скло має бути лугостійким, тоді скловолокно працюватиме як арматура, а не вступатиме в хімічну взаємодію з цементним каменем.