• Под истинной плотностью (кг/м3) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала:

Е = rnx/Vu

Где Mi — масса материала, кг; Vi — объем материала в плотном состоянии,, м3.

Значения истинной плотности некоторых строительных ма­териалов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Истинная плотность строительных материалов Наименование материала Истинная плот­ность, кг/м3 Наименование материала Истинная плот­ность, кг/м3 Сталь Порт л андцемент Гранит Песок кварцевый 7800.. .7900 2900...3100 2700...2800 2600...2700 Кирпич керамический Стекло Известняк Древесина 2500...2800 2500...3000 2400... 2600 1500.. .1600

• Под средней плотностью[1] ео (кг/м3) понимают массу едини­цы объема материала (изделия) в естественном состоянии (с пустотами и порами):

Ео = rrh/Vi,

Где т} — масса материала, кг; Vx — объем материала, м3.

Средняя плотность одного и того же вида материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности.

• Сыпучие материалы (песок, щебень, цемент и др.) характе­ризуются насыпной плотностью — отношением массы зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами. От плот­ности материала в значительной мере зависят его технические свойства, например прочность, теплопроводность. Этими данными Пользуются при определении толщины ограждающих конструк­ций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного обору­дования и др. Значения средней плотности строительных мате­риалов находятся в широких пределах (табл. 1.2).

Плотность зависит от пористости и влажности материала. С увеличением влажности плотность материала увеличивается. Показатель плотности является характерным и для оценки эко­номичности.

Таблица 1.2. Средняя плотность некоторых строительных материалов Наименование матерна-ла Средняя плот­ность, кг/м3 Наименование материала Средняя плот­ность, кг/м3 Сталь Гранит Бетон тяжелый Кирпич керамический Песок Вода, 7800...7850 2600...2800 1800...2500 1600... 1800 1450... 1650 1000 Бетон легкий Керамзит Сосна Минеральная вата Поропласт 500... 1800 300... 900 500... 600 200... 400 20...100

• Пористостью (%) материала называют степень заполнения его объема порами:

Я = (1 - оо/е) юо,

Где Qo — объемная плотность материала, кг/м3; q — плотность абсолютно плотного материала, кг/м3.

Поры — это мелкие ячейки в материале, заполненные возду­хом или водой. Поры бывают открытые и закрытые, мелкие и крупные. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строи­тельным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно приближенно судить о других важных свой­ствах материала: плотности, прочности, водопоглощении, долго­вечности и др. Для конструкций, от которых требуется высо­кая прочность или водонепроницаемость, применяют плотные материалы, а для стен зданий — материалы со значительной пористостью, обладающие хорошими теплоизоляционными свой­ствами.

Открытая пористость равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к общему объему материала:

Где mi и т2 — масса образца в сухом и насыщенном водой состоянии.

Открытые поры сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, они заполняются водой при погруже­нии в ванну с водой.

Давление ртути, МПа в материале обычно име-

5 10 50 100 500 W00 5000 ются открытые и закрытые

Поры. В звукопоглощающих материалах специально соз­даются открытая пористость и перфорация для большего поглощения звуковой энер­гии.

Закрытая пористость по размерам и распределению пор характеризуется: а) ин­тегральной кривой распреде­ления объема пор по их ра­диусам в единице объема (рис. 1.1) и б) дифферен­циальной кривой распре­деления объема пор по их радиусам (рис. 1.2).

Пористость, полученная с помощью ртутного поромера, позволяет определить раз­мер и объем пор каждой величины и оценить форму их. Ртуть не смачивает поры большинства строительных материалов и прони­кает в них при повышенном давлении, что следует из уравнения

Pd = — 4а cos Э,

Где Р — прилагаемое давление; D — диаметр пор; а — поверх­ностное натяжение ртути; Э — краевой угол смачивания ртути и испытуемого материала.

Из уравнения видно, что при нулевом давлении несмачи- вающая жидкость не будет проникать в поры. На рис. 1.3 при­ведено соотношение между давлением и диаметром пор.

На рис. 1.1 показаны интегральные кривые распределения пор по их размерам для четырех различных материалов. По оси х отложены радиусы пор, а по оси у — объем пор данного размера (он равен объему ртути, проникшей в образец). Кри­вая 1 характерна для материалов с большим объемом круп­ных пустот (более 10 мкм). Пунктиром показана кривая ги­стерезиса. Кривая 2 получена для порошка с большим объемом пустот (4...6 мкм) между зернами. Кривая 3 характерна для материала с мелкой пористостью, а кривая 4 — для материала с однородной структурой и порами 0,02...0,04 мкм.

Дифференциальная кривая распределения объема пор V по их размерам (см. рис. 1.2)

DVjdr = fV(r),

ВО 20 5 2 0,6 О? №№ 0,том Радиус пустот и пар, мкм

Рис. 1.1. Интегральные кривые распре­деления пор по радиусам (пунктиром показана кривая гистерезиса)

Где DV/Dr — тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой.

Па

I

«а

Радиус Nop

/ w т Ладленив ртути, МПа(1д-масшта5)

Рис. 1.3. График зависимости меж­ду давлением ртути (в поромере) и размером пор

Рис. 1.2. Дифференциальная кри­вая распределения пор по радиу- 1 сам

Л» §

Площадь под дифференциальной кривой (заштрихована на рис. 1.2) равна суммарному объему пор в единице объема ма­териала.

Удельную поверхность порового пространства определяют, используя средний условный радиус пор или адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота или другого инертного газа).

• Удельная поверхность (см2/г) пропорциональна массе адсор­бированного водяного пара (газа), необходимой для покры­тия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности пор (в 1 г на 1 г сухого материала):

А = aN кгп! Ш2,

Где Oi — поверхность, покрываемая одной адсорбированной мо­Лекулой, для молекулы воды а^ — 10,6-Ю-16 см2; JVA — число Авогадро, Ад = 6,06 • 1023; т { — масса и тг — молекулярная масса адсорбированного водяного пара (газа).

Свойства строительного материала определяются его соста­вом, структурой и прежде всего значением и характером по­ристости.

• Пустотность — количество пустот, образующихся между зер­нами рыхлонасыпанного материала (песка, щебня и т. п.) или имеющихся в некоторых изделиях, например в пустотелом кир­пиче, панелях из железобетона. Пустотность песка и щебня составляет 35...45%, пустотелого кирпича — 15...50%.

• Водопроницаемость — способность материала поглощать воду при увлажнении и отдавать ее при высушивании. Насыщение материала водой может происходить при действии на него воды в жидком состоянии или в виде пара. В связи с этим соответст­венно различают два свойства материала: гигроскопичность и водопоглощение.

• Гигроскопичность — свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их вследствие капиллярной конденсации. Она зависит от температуры воздуха, его отно­сительной влажности, вида, количества и размера пор, а также от природы вещества. Одни материалы энергично притягивают своей поверхностью молекулы воды, и их называют гидрофиль­ными, другие отталкивают воду, и их относят к гидрофобным. Отдельные гидрофильные материалы способны растворяться в воде, тогда как гидрофобные стойко сопротивляются действию водной среды. При прочих равных условиях гигроскопичность материала зависит от его природы, величины поверхности, структуры (поры и капилляры). Материалы с одинаковой по­ристостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, ока­зываются более гигроскопичными, чем крупнопористые мате­риалы.

• Водопоглощение — способность материала впитывать и удер­живать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощае­мой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и вы­ражается в процентах от массы. Водопоглощение (% по массе)

Wm = [(m2 — тх)/т{ 100, или водопоглощение (кг/м3 по объему)

Wv = (т2 — Tn{)/V, Где т2 — масса материала в насыщенном водой состоянии, кг; Т — масса материала в сухом состоянии, кг; V — объем мате­Риала в естественном состоянии, м3.

Водопоглощение всегда меньше истинной пористости, так как часть пор оказывается закрытой, не сообщающейся с окружающей средой и недоступной для воды. Объемное водо­поглощение всегда меньше 100%, а водопоглощение по массе у очень пористых материалов может быть более 100%.

Водопоглощение строительных материалов изменяется глав­ным образом в зависимости от объема пор, их вида и разме­ров. Влияют на величину водопоглощения и природа вещества, степень гидрофильности его.

В результате насыщения водой свойства материалов значи­тельно изменяются: увеличиваются плотность и теплопровод­ность, а в некоторых материалах (древесине, глине) увеличи­вается объем (они разбухают), понижается прочность вследствие нарушения связей между частицами материала проникающими молекулами воды.

Отношение предела прочности при сжатии материала, насы­щенного водой, /?Нас к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии Rcyx называется коэффициентом размягчения:

^разм ^иас/^сух-

Этот коэффициент характеризует водостойкость материала. Для легкоразмокаемых материалов (глина) kpa3M = 0, для мате­риалов (металл, стекло), которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды, /гразм = 1. Материалы с /гразм ^ 0,8 относят к водостойким; материалы с /гразм <С 0,8 в местах, под­верженных систематическому увлажнению, применять не разре­шается.

• Влагоотдача — способность материала отдавать влагу. Ма­териалы, находясь на воздухе, сохраняют свою влажность только при условии определенной, так называемой равновес­ной относительной влажности воздуха. Если же последняя ока­зывается ниже этой равновесной влажности, то материал начи­нает отдавать влагу в окружающую среду (высушиваться). Скорость влагоотдачи зависит, во-первых, от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха — чем она больше, тем интенсивнее происходит высушивание; во-вторых, на влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества. Материалы с круп­ными порами и гидрофобные легче отдают воду, чем мелкопорис­тые и гидрофильные.

В естественных условиях влагоотдача строительных мате* риалов характеризуется интенсивностью потери влаги при отно­сительной влажности воздуха 60% и температуре 20°С.

В воздухе в естественных условиях всегда содержится влага. Поэтому влажный материал высушивается при этих условиях не полностью, а только до влажности, называемой равновесной. Состояние материала при этом является воздушно-сухим. Дре­весина в комнатных условиях, где относительная влажность не Превышает 60%, имеет влажность 8... 10%, наружные стены зда­ний— 4...6%. С изменением относительной влажности воздуха изменяется и влажность материалов (если последние гидрофиль­ные) .

• Воздухостойкость — способность материала длительно выдер­живать многократное систематическое увлажнение и высуши­вание без значительных деформаций и потери механической прочности. Материалы по-разному ведут себя по отношению к действию переменной влажности: разбухают при увлажнении, дают усадку при последующем высыхании, иногда возникает и коробление материала. Систематическое увлажнение и высуши­вание вызывают знакопеременные напряжения в материале стро­ительных конструкций и со временем приводят к потере ими несущей способности (разрушению). Бетон в таких условиях склонен к разрушению, так как при высыхании цементный ка­мень сжимается, а заполнитель практически не реагирует; в ре­зультате в цементном камне возникают растягивающие напря­жения, он сжимается и отрывается от заполнителя. Древесина при изменении влажности подвергается знакопеременным дефор­мациям. Повысить воздухостойкость материалов можно путем введения гидрофобных добавок, придающих материалу водо­отталкивающие свойства.

• Водопроницаемость — способность материала пропускать во­ду под давлением. Водопроницаемость характеризуется коли­Чеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м2 площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Плотные материа­лы (сталь, стекло, битум, большинство пластмасс) водонепро­ницаемы.

• Морозостойкость — способность насыщенного водой мате­риала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного сниже­ния прочности. Систематические наблюдения показали, что мно­гие материалы в условиях попеременного насыщения водой и замораживания постепенно разрушаются. Разрушение проис­ходит в связи с тем, что вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме примерно до 9%. Наи­большее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре —4°С; дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличения объема льда. При заполнении пор водой и ее замерзании стенки пор начинают испытывать значительные напряжения и могут разрушаться. Определение степени морозо­стойкости материала производят путем замораживания насыщен­ных водой образцов при температуре от —15 до —17°С и по­следующего их оттаивания. Такую низкую температуру опыта принимают по той причине, что вода в тонких капиллярах за­мерзает только при —10°С.

Морозостойкость материала зависит от плотности и степени насыщения водой их пор. Плотные материалы морозостойки. Из пористых материалов морозостойкостью обладают только та­кие, у которых имеются в основном закрытые поры или вода занимает менее 90% объема пор. Материал считают морозо­стойким, если после установленного числа циклов заморажи­вания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15%, а потери в массе в резуль­тате выкрашивания не превышали 5%. Если образцы после за­мораживания не имеют следов разрушения, то степень морозо­стойкости устанавливают по коэффициенту морозостойкости

KF = RF/R„

Где RF — предел прочности при сжатии материала после испы­тания на морозостойкость, Па; Re — предел прочности при сжатии водонасыщенного материала, Па.

Для морозостойких материалов kF не должен быть менее 0,75. По числу выдерживаемых циклов попеременного замора­живания и оттаивания (степени морозостойкости) материаль имеют марки F 10, 15; 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более.

В лабораторных условиях замораживание образцов произ­водят в холодильных камерах. Один — два цикла заморажива­ния в камере дают эффект, близкий к (3...5)-годичному дей­ствию атмосферы. Существует также ускоренный метод испыта­ния, по которому образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и затем высушивают при температуре

Рнс. 1.4. Зависимость те­плопроводности неоргани­ческих материалов от

Плотности: / — материалы, насыщенные водой; 2, 3 — воздушно - сухие материалы с разной влажностью; 4 — сухие ма­териалы

100...110°С. Образующиеся при этом в порах камня кристаллы десятиводного сульфата натрия (со значительным увеличением объема) давят на стенки пор еще сильнее, чем вода при за­мерзании. Такое испытание является особо жестким. Один цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравни­вается к 5...10 и даже 20 циклам прямых испытаний замора­живанием.

Теплопроводность — свойство материала пропускать тепло через свою толщину. Теплопроводность материала оценивают ко­личеством тепла, проходящим через образец материала тол­щиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях образца ; в 1°С. Теплопроводность материала зависит от многих факто­ров: природы материала, его структуры, степени пористости, ■ характера пор, влажности и средней температуры, при которой происходит передача тепла. Материалы с закрытыми порами менее теплопроводны, нежели материалы с сообщающимися порами. Мелкопористые материалы имеют меньшую теплопровода ность, чем крупнопористые. Это объясняется тем, что в крупных и сообщающихся порах возникает движение воздуха, сопро­вождающееся переносом тепла. Теплопроводность однородного материала зависит от плотности (рис. 1.4). Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается, и наоборот. Общей зависимости между плотностью материала и теплопро­водностью не установлено, однако для некоторых материалов, имеющих влажность 1...7% по объему, такая зависимость на­блюдается.

На теплопроводность значительное влияние оказывает влаж­ность. Влажные материалы более теплопроводны, нежели сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. В табл. 1.3 приведена теплопровод­ность некоторых строительных материалов.

Теплопроводность характеризует теплофизические свойства материалов, определяя их принадлежность к классу теплоизоля­ционных (А — до 0,082; Б — 0,082...0,116 и т. д.), конструк - ционно-теплоизоляционных и конструкционных (более 0,210).

Теплопроводность материала можно также характеризовать

— 21 -

Таблица 1.3. Теплопроводность некоторых строительных материалов Наименование материала Теплопровод­ность, Вт/(м•°С) Наименование материала Теплопровод­ность, Вт/(м-°С) Сталь Гранит Тяжелый бетон Кирпич керамический обыкновенный 58 2,9...3,3 1,0...1,6 0,8...0,9 Вода Бетон легкий Бетон теплоизоляци­онный Газостекло 0,59 0,35...0,8 0,08...0,3 0,06...0,08

Термическим сопротивлением (R= 1/А.)—величиной, обратной теплопроводности.

Теплопроводность имеет очень важное значение для материа­лов, используемых в качестве стен и перекрытий отапливае­мых зданий, для изоляции холодильников и различных тепло­вых агрегатов (котлов, теплосетей и т. п.). От величины теп­лопроводности непосредственно зависят затраты на отопление зданий, что особенно важно при оценке экономической эффек­тивности ограждающих конструкций жилых домов и др.

• Термическое сопротивление слоя однослойной (однородной) ограждающей конструкции или многослойной ограждающей конструкции определяется по формуле

R = 6Д,

Где б — толщина слоя, м; к — теплопроводность слоя материа­ла, Вт/(м-с).

Термическое сопротивление — важная характеристика наруж­ных ограждающих конструкций; от нее зависят толщина наруж­ных стен и затраты на отопление зданий.

• Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагре­вании тепло. Характеризуется теплоемкость удельной теплоем­костью. Удельная теплоемкость с [Дж/(кг-°С)] представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг мате­риала на 1°С:

С = Q/[m{h - Л)],

Где Q — количество тепла, затраченное на нагревание материа­ла от T до /2, Дж; т — масса материала, кг.

Удельная теплоемкость [Дж/(кг-°С)] стали составляет 460, каменных материалов — 755...925; тяжелого бетона — 800...900; лесных материалов — 2380...2720. Теплоемкость материала имеет важное значение в тех случаях, когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете подогрева материала для зимних бетонных работ, при расчете печей и т. д.

Ф Огнестойкость — способность материала выдерживать дей­ствие высокой температуры без потери несущей способности (большого снижения прочности и значительных деформаций).

Это свойство важно при пожарах, а так как в процессе тушения пожаров применяют воду, то при оценке степени огнестойкости материала действие высокой температуры сочетают с действием воды.

Строительные материалы по огнестойкости делят на несго­раемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы под воздействием высокой температуры или огня не тлеют и не обугливаются (природные и искусственные неорганические ма­териалы, металлы). Однако одни из этих материалов под воз­действием высокой температуры не растрескиваются и не де­формируются, например керамический кирпич, а другие, в част­ности сталь, подвержены значительным деформациям. Поэтому стальные конструкции не могут быть отнесены к огнестойким. Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высоких температур обугливаются, тлеют или с трудом воспламеняются, но продолжают гореть или тлеть только при наличии огня (дре­весина, пропитанная огнезащитными составами). Сгораемые ма­териалы горят и тлеют под воздействием огня или высоких тем­ператур и продолжают гореть после устранения огня (все орга­нические материалы, не подвергнутые пропитке огнезащитными составами).

• Огнеупорность — свойство материала противостоять длитель­ному воздействию высоких температур не деформируясь и не расплавляясь. Материалы по степени огнеупорности подразде­ляют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие. К огнеупор­ным относят материалы, выдерживающие продолжительное воздействие температуры от 1580°С и выше. Тугоплавкие выдерживают температуру 1350... 1580°С, а легкоплавкие имеют огнеупорность ниже 1350°С.

4 Термическая стойкость материала характеризуется его спо­собностью выдерживать определенное количество циклов резких тепловых изменений без разрушения. Термическая стойкость за­висит от степени однородности материала, температурного коэффициента расширения составляющих его частей. Чем мень­ше коэффициент температурного расширения, тем выше терми­ческая стойкость материала. К термически нестойким материа­лам можно отнести стекло, гранит.

• Радиационная стойкость — свойство материала сохранять свою структуру и физико-механические характеристики после воздействия ионизирующих излучений. Развитие атомной энер­гетики и широкое использование источников ионизирующих из­лучений в различных отраслях народного хозяйства вызывают необходимость оценки радиационной стойкости и защитных свойств материалов. Уровни радиации вокруг современных ис­точников ионизирующих излучений настолько велики, что может произойти глубокое изменение структуры материала. Поток ра­диоактивного излучения при встрече с конструкциями из данного материала может поглощаться в разной степени в зависимости от толщины ограждения, вида излучения и природы вещества защиты. Для защиты от нейтронного потока применяют ма­териалы, содержащие в большом количестве связанную воду; от у-излучений — материалы с большой плотностью (свинец, особо тяжелый бетон). Связанную воду содержат гидратиро - ванные бетоны, лимонитовая руда (водный оксид железа) и др. Уменьшить интенсивность проникания нейтронного излучения че­рез бетон можно путем введения в него специальных добавок (бора, кадмия, лития).

• Химическая стойкость — способность материала сопротив­ляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов.

T Наиболее часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов санитарно-технические сооружения, канализационные трубы, животноводческие помещения, гидротехнические соору­жения (находящиеся в морской воде, имеющей большое коли­чество растворенных солей). Не способны сопротивляться дей­ствию даже слабых кислот карбонатные природные каменные материалы — известняк, мрамор и доломит; не стоек к действию концентрированных растворов щелочей битум. Наиболее стойки­ми материалами по отношению к действию кислот и щелочей являются керамические материалы и изделия, а также многие изделия на основе пластмасс.

• Долговечность — способность материала сопротивляться ком­плексному действию атмосферных и других факторов в усло­виях эксплуатации. Такими факторами могут быть: изменение температуры и влажности, действие различных газов, находя­щихся в воздухе, или растворов солей, находящихся в воде, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей. При этом потеря материалом механических свойств может происходить в результате нарушения сплошности структуры (образования тре­щин), обменных реакций с веществами внешней среды, а также в результате изменения состояний вещества (изменения кристал­лической решетки, перекристаллизации, перехода из аморфного в кристаллическое состояние). Процесс постепенного измене­ния (ухудшения) свойств материалов в эксплуатационных ус­ловиях иногда называют старением.

Долговечность и химическая стойкость материалов непосред­ственно связаны с величиной затрат на эксплуатацию зданий И сооружений. Повышение долговечности и химической стой­кости строительных материалов является наиболее актуальной задачей в техническом и экономическом отношениях.