Фізичні властивості матеріалів, Безкоштовні курсові, реферати та дипломні роботи
Питомі та структурні характеристики – це справжня, середня та насипна щільність матеріалу, а також різні види пористості.
Істинна щільністьr (г/см 3 ) - масатодиниці об'ємуVаматеріалу в абсолютно щільному стані без пір і порожнеч:
.
Середня щільністьrо (кг/м 3 ) – масатодиниці об'ємуVпро матеріал у природному стані разом з порами та порожнечами:
.
Справжня щільність на відміну середньої щільності є досить постійної характеристикою, яка може бути … змінена, як середня щільність матеріалу, до зміни його хімічного складу чи молекулярної структури. Більшість будівельних матеріалів мають пори, тому у них справжня щільність завжди більша за середню. Лише у щільних матеріалів (сталі, скла, бітуму) справжня і середня щільність рівні, оскільки обсяги пір дуже малі.
Часто середню щільність матеріалу відносять до щільності води, при 4 °С рівною 1 г/см 3 і тоді обумовлена щільність стає безрозмірною величиною, яку називають відносною щільністю.
Насипна щільністьrн (кг/м 3 ) - Відношення маси матеріалу в насипному стані до його обсягу. Насипну щільність визначають для сипких матеріалів (піску, щебеню, цементу тощо). У її значенні відображається вплив не тільки пір у кожному зерні, а й міжзернових порожнин у рихлонасипаному обсязі матеріалу.
Значення середньої та насипної щільності матеріалів є необхідними характеристиками при розрахунку міцності споруди з урахуванням власної маси, для визначення обсягів, способу та вартості перевезення матеріалів тощо.
Багато в чому властивості матеріалу визначають кількість, розмір та характер пір.Пористість- відносна величина (зазвичай у відсотках), що показує, яка частина обсягу матеріалу зайнята внутрішніми порами або пустотами (пустотність). Пори є комірки, не заповнені твердою речовиною (за величиною до декількох міліметрів). Більші пори, наприклад, між зернами сипких матеріалів, або порожнини, що є в деяких виробах (пустотіла цегла, панелі із залізобетону), називають порожнечами.
Розрізняють загальну, відкриту та закриту пористість.Загальна пористістьобчислюється за формулою
.
Відкрита пористістьВизначається водопоглинанням (див. нижче).Закрита пористістьПз дорівнює різниці П і По.
Загальна пористість коливається в широких межах: від 0,2-0,8 % – у граніту та мармуру, до 75-85 % – у теплоізоляційної цегли та пористого бетону та понад 90 % – у пінопластів та мінеральної вати.
Гідрофізичні властивості - це властивості будівельних матеріалів по відношенню до дії води (гігроскопічність, вологість, водопоглинання, вологі деформації, водопроникність, водостійкість, а також морозостійкість - при одночасному дії води та морозу).
Гігроскопічністьназивають властивість пористого матеріалу поглинати водяну пару з повітря.
Водопоглинання– здатність матеріалу вбирати та утримувати воду при безпосередньому контакті з нею. Величина водопоглинання залежить від структури матеріалу, і насамперед від відкритої (капілярної) пористості. Розрізняють водопоглинання за масою Вм (%),
,
та водопоглинання за обсягом В (%),
,
де m нас - маса зразка, насиченого водою, г;mсух - маса сухого зразка, г;Vо - обсяг зразка, см 3; rв – густина води, 1 г/см 3 .
Водопоглинання по масізмінюється у межах, наприклад, для граніту воно дорівнює 0,02-0,7 %, важкого бетону – 2-4 %, цегли – 8-15 %, для теплоізоляційного матеріалу може перевищувати 100 %. Водопоглинання за обсягом характеризує переважно відкриту пористість матеріалу. Знаючи водопоглинання за масою Вм та щільність ρо, можна розрахувати водопоглинання за обсягом:
Вологові деформації- це усадка та набухання.Усадка(усушка) – зменшення обсягу та розмірів матеріалу при його висиханні. Воно викликається зменшенням товщини шарів води, що оточують частинки матеріалу, і дією капілярних сил, які прагнуть їх зблизити.Набухання(розбухання) – збільшення обсягу та розмірів матеріалу при його зволоженні. Воно відбувається внаслідок дії води, що розклинює, і зменшення капілярних сил.
Водопроникність- здатність матеріалу пропускати воду через свою товщу. Характеризується величиною коефіцієнта фільтрації Кф (м 2 /год), який визначається кількістю води, що пройшла через 1 м 2 площі протягом 1 години при постійному тиску.
Водонепроникність- здатність матеріалу не пропускати воду, і вона пов'язана з коефіцієнтом фільтрації зворотною залежністю. Для бетону водонепроникність характеризується маркамиW2,W4, …W20, що позначають надлишковий тиск (0,2; 0,4; …2,0 МПа ), при якому зразок не пропускає воду при стандартному випробуванні (метод «мокрої плями»). Водонепроникність підвищується при ущільненні матеріалу та зменшенні капілярних пір.
Водостійкістьхарактеризується коефіцієнтом розм'якшення Кр, який обчислюється за формулою
,
деRнас - межа міцності на стиск у насиченому водою стані, МПа;Rсух - межа міцності на стиск у сухому стані, МПа.
До неводостійких матеріалів відносять матеріали з Кр менше 0,6, до обмежено водостійких – матеріали з Кр не нижче 0,6, а до водостійких – матеріали з Кр не нижче 0,7 (0,8 – для гідротехнічних споруд та фундаментів).
Морозостійкість– здатність матеріалу витримувати багаторазове та поперемінне заморожування та відтавання у насиченому водою стані. Руйнування матеріалу при його заморожуванні в насиченому водою стані пов'язане з утворенням у порах льоду, обсяг якого приблизно на 9% більше обсягу води. Морозостійкість кількісно оцінюється маркою за морозостійкістю. За марку за морозостійкістю приймають найбільшу кількість циклів поперемінного заморожування та відтавання, яке витримують зразки матеріалу без видимих ознак руйнування та певного зниження міцності та втрати маси. Встановлено марки з морозостійкості: важкого бетону -F25-F1000, керамічної та силікатної цеглини -F15-F50 і т .
Теплофізичні властивості характеризують відношення матеріалу до дії тепла.
Теплопровідність– здатність матеріалу передавати тепло від тіла з більшою температурою до менш теплого. Характеризується коефіцієнтом теплопровідності l (Вт/(м × °С), який дорівнює
,
деQ- кількість тепла, Дж; d – товщина матеріалу, м;А- площа перерізу, м 2; (t1 _t2) - різниця температур, ° С;Т- тривалість проходження тепла, с.
Теплопровідність залежить від структури матеріалу, його вологості та температури. Існує емпірична формула Некрасова визначення теплопровідності матеріалу за його середньої щільності
,
деd– відносна густина матеріалу (щільність матеріалу по відношенню до густини води – 1г/см 3), безрозмірна величина.
Теплопровідність залежить від вологості матеріалу, так як вода має більшу теплопровідність (у 25 разів) в порівнянні з теплопровідністю повітря.
Термічний опір R,(м 2 × °С)/Вт, конструкції товщиною d дорівнює
.
Теплоємністьвизначається кількістю теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг даного матеріалу, щоб підвищити його температуру на 1 °С. З підвищенням вологості матеріалів їхня теплоємність зростає, оскільки вода має теплоємність 4,19 кДж/(кг × °С).
Вогнетривкість– здатність матеріалу витримувати тривалий вплив високих температур під навантаженням.
Вогнестійкість– здатність матеріалу витримувати короткочасний вплив відкритого вогню. Розрізняють матеріали:незгорянні, тобто. які не горять та не підтримують горіння (бетон, метал, кераміка);трудносгоряемые, тобто. які при дії вогню горять (тліють), а при видаленні вогню припиняють горіння (асфальтобетон, просочена антипіренами деревина);згоряння(деревина, полімерні матеріали).