Физические свойства строительных материалов

Декабрь 17, 2011 в свойства строительных материалов

. контакты 8 929 943 69 68 http://vk.com/club23595476 .

Свойство – способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.

Свои свойства строительные материалы проявляют в зависимости от вида воздействия внешних механических сил (ударные, динамические, статические нагрузки, истирающие усилия воды, ветра и льда), физико-химических процессов (колебания температуры, действие солнца, атмосферных и грунтовых вод, газов) и биологических факторов (животные, микроорганизмы).

Свойства материалов зависят от химического, минералогического, вещественного и фазового состава, во многом определяемых строением материалов, их структурой и состоянием, в которых они находятся.

3.1. Физические свойства строительных материалов

Физические свойства характеризуют особенности физического строения материалов и отношение их к различным физическим процессам (воде и температуре).

Строительные материалы готовят из природного и искусственного сырья, содержащего определенное количество примесей. При этом различают неоднородные (гетерогенные) и однородные (гомогенные) системы.

Однородность – способность материала иметь в каждой единице объема одинаковые состав, структуру и состояние, а, следовательно, и свойства. Все технологические процессы подчинены обеспечению однородности, т. к. она обеспечивает надежность и стабильность свойств.

Специфические свойства вещества и материала характеризует масса, которую необходимо знать для правильного выбора транспортного и грузоподъемного механизмов. Однако правильнее оценивать массу материала в зависимости от величины объема, занимаемого материалом.

Плотность вещества (истинная плотность) – масса единицы объема вещества, находящегося в материале

? = m1/Va, г/см3, (56)

где ? – истинная плотность, г/см3; m1 – масса сухого материала, г; Va – абсолютный объем материала (вещества), см3 .

У большинства неорганических материалов, кроме металлов, плотность находится в довольно узких пределах: 2,4…3,1 г/см3. У органических материалов интервалы плотности значительно меньше: 1,0…1,6 г/см3.

Плотность материала (средняя плотность) – масса единицы объема материала в состоянии естественной пористости

?? = m1/Vе, г/см3, (57)

где ?? – средняя плотность, г/см3; Vе – объем материала в состоянии естественной пористости, см3.

Для абсолютно плотных материалов абсолютный объем вещества равен объему вещества в состоянии естественной пористости, а плотность вещества равна плотности материала Va = Vе , ?? = ?.

Чем меньше ?? при одном и том же значении ?, тем меньше степень плотности. Отношение Vе/Vа = ??/? выражает степень заполнения материала веществом. Все остальное пространство занимают поры.

Отсюда пористость материала будет

р = [(1 – ??/?)] ·100 %. (58)

Для материалов, находящихся в рыхло-сыпучем состоянии вместо средней плотности вводится понятие насыпная плотность ?нас, а вместо пористости вводится понятие пустотность материала П

П = [(1 – ?нас/?)] ·100 %. (59)

Показатели плотности и пористости некоторых строительных материалов приведены в табл.

Таблица

Плотность и пористость некоторых строительных материалов

Материал Истинная

плотность, г/см3

Средняя

плотность, г/см3

Пористость, %
Бетон тяжелый 2,60 2,40 10
легкий 2,60 1,00 61
ячеистый 2,60 0,50 81
Кирпич обыкновенный 2,60 1,80 32
пустотелый 2,60 1,30 51
Гранит 2,70 2,65 2
Оконное стекло 2,65 2,65 0
Стеклопластик 2,00 2,00 0
ДСП 1,50 0,20 86

Пустотность зависит от типа структуры и вида упаковки зерен в материале (рис. 10…12).

Типы пустот в плотных упаковках: а) тетраэдрическая упаковка; б) октаэдрическая упаковка

Плотнейшие упаковки шаров: а) кубическая; б) гексагональна

Типы структур тетраэдров и октаэдров: а) галит NaCl; б) сфалерит ZnS; в) рутил TiO2; г) кристобалит SiO2

Влажность (?) характеризует наличие влаги в материале, не оценивая способа попадания и удерживания ее в материале

? = [(m2 – m1)/m1] ·100 %, (60)

где m1 и m2 – соответственно масса сухого и влажного материала, г.

Количество влаги зависит от свойств материала и окружающей среды. Различают гигроскопичность или гигроскопическую влажность, т. е. способность материала поглощать воду из окружающей паро-воздушной среды в случае повышения ее относительной влажности. Гигроскопичность пропорциональна открытой пористости и тонкости помола материала. При равновесии с параметрами паро-воздушной среды материал становится воздушно-сухим, а влажность – равновесной. На гигроскопичность влияют химический состав и характер пористости материала. Разновидностями гигроскопичности являются хемосорбция и сорбция.

Хемосорбция ? гигроскопичность, сопровождающаяся химическими превращениями. Поглотившаяся вода участвует в химической реакции; ее нельзя удалить без ущерба качества материала. Хемосорбция имеет место для химически активных материалов, например, для минеральных вяжущих веществ. Сорбция (сорбционная влажность) – гигроскопичность, не сопровождаемая химическими превращениями; она может быть удалена без ущерба качества материала. Сорбция характерна для инертных материалов. Обратное свойство сорбции – влагоотдача.

Водопоглощение (предельно возможное количество воды в материале) – способность материалов впитывать и удерживать в своих порах воду при нахождении в ней. Водопоглощение пропорционально зависит от открытой пористости материала и происходит за счет подсоса воды и диффузии.

Различают водопоглощение по массе (Wm) и водопоглощение по объему (Wv). Так как вода при погружении материала в нее попадает только в открытые поры, то водопоглощение по объему соответствует открытой пористости материала Wv= роткр.

Wm = [(m2 – m1)/m1] ·100 %, (61)

Wv = [(m2 – m1)/?вVе] ·100 %, (62)

где ?в – плотность воды, равная 1 г/см3; Vе – объем материала в состоянии естественной пористости, см3.

Для изделий, работающих под напором воды, необходимо обеспечить водонепроницаемость (период времени, по истечении которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец или предельная величина давления воды, при которой вода не проходит через образец).

Под действием температуры в материале может:

– увеличиваться пористость за счет выгорания органических компонентов и удаления образующихся при этом газов;

– увеличиваться пористость за счет разложения некоторых веществ и удаления образующихся при этом газов;

– происходить растрескивание многокомпонентных материалов с различными коэффициентами линейного температурного расширения КЛТР и за счет модификационных (полиморфных) превращений;

– уменьшается пористость за счет спекания;

– происходить переход материала из одного состояния в другое.

Огнеупорность – свойство материалов не деформироваться при длительном воздействии высоких температур в условиях эксплуатации. Показателем огнеупорности является предельная температура, при которой материал еще не переходит в вязко-текучее состояние и не теряет своих прочностных характеристик – температура плавления (tпл).

По огнеупорности различают огнеупорные материалы (tпл > 1580 оС), тугоплавкие материалы (tпл = 1350…1580 оС) и легкоплавкие материалы (tпл < 1350 оС). Огнеупорные материалы в свою очередь делятся на жаростойкие и термически стойкие. Жаростойкие материалы выдерживают длительный нагрев выше температуры красного каления без потери или с частичной потерей прочности. Термически стойкие материалы способны выдерживать резкие тепловые изменения без деформаций. Оцениваются по числу резких теплосмен. Стекло имеет термостойкость, равную 1, динас 1…3, шамот 5…30, корунд 50…100.

Температура плавления понятие условное, т.к. это есть температура начала перехода материала из вязкопластичного состояния в вязко-текучее состояние. При этом происходит деформация и потеря несущей способности материала.

При расчете теплоустойчивости с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний теплового режима изучается теплоемкость. Она пропорционально зависит от природы вещества, его массы и температуры. Оценка теплоемкости материала производится по удельной теплоемкости (с), т.е. по количеству тепла, необходимого для изменения температуры на 1 градус единицы массы материала. У неорганических материалов удельная теплоемкость небольшая и составляет 760…920 Дж/кг·град. У органических материалов удельная теплоемкость значительно выше: у древесины она равна 2380…2720 Дж/кг·град, у стали – 460 Дж/кг·град. Материалы с большой теплоемкостью могут быть источниками тепла и называются теплыми. Максимальная удельная теплоемкость у воды и она равна 4200 Дж/кг ·град.

Теплопроводность – способность материала пропускать тепло через свою толщу. Оценка теплопроводности производится по коэффициенту теплопроводности ? (Вт/м·град), который представляет собой количество тепла, проходящего через образец материала толщиной 1 м, плошадью 1 м2 за 1 с при разности температур на противоположных поверхностях образца в 1 оС. Теплопроводность зависит от степени пористости, характера пор, влажности. На теплопроводность пропорционально влияет влажность материала, так как у нее она почти в 30 раз больше, чем у воздуха (соответственно 0,59 и 0,02 Вт/м·град). По величине теплопроводности можно определить принадлежность материалов к различным группам. У теплоизоляционных материалов ? < 0,21 Вт/м·град, конструктивно-теплоизоляционные материалы имеют ? = 0,21…0,29 Вт/м·град, а у конструктивных материалов ? > 0,29 Вт/м·град.

Способность материала выдерживать кратковременное действие высоких температур без потери несущей способности – огнестойкость. Оценка огнестойкости производится по возгораемости. Различают несгораемые (жаростойкие, огнеупорные и термически стойкие) материалы, трудносгораемые материалы и сгораемые материалы. Сгораемые материалы горят и тлеют при действии огня и продолжают гореть или тлеть после прекращения действия огня. Трудносгораемые горят или тлеют только при непосредственном действии огня, а затем перестают гореть или тлеть. Несгораемые материалы не горят и не тлеют при действии огня. Трудносгораемые и сгораемые материалы являются не огнестойкими, а несгораемые могут быть огнестойкими и не огнестойкими. Последний вариант наблюдается у материалов, которые обладают полиморфизмом (кварц и кварцсодержащие горные породы).

Полиморфизм (полиморфные превращения) – способность кристаллических материалов под действием высоких температур (огня) изменять форму и размеры кристаллов и, как правило, скачкообразно. Такое свойство наблюдается в частности, у кварцсодержащих горных пород (гранит).

http://vk.com/club23595476
. контакты http://vk.com/club23595476 .