Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Физические свойства строительных материалов

Физические свойства строительных материалов



К физическим относят свойства материалов, характеризующие параметры их состояния и отношение к действию физических факторов: воды, температуры, электрического тока, магнитного поля и др.
Параметры состояния. Важнейшими физическими параметрами состояния материалов являются плотность и пористость.
Плотность определяется отношением массы материала к его объему. Для строительных материалов различают истинную ρ и среднюю плотность ρ0. Истинная плотность (или просто плотность) характеризует массу материала в единице объема принятого в абсолютно плотном состоянии Vа, а средняя плотность - с учетом имеющихся в нем пор и пустот - V:
Физические свойства строительных материалов

Для сыпучих материалов наряду со средней плотностью зерен определяют насыпную плотность, учитывающую межзерновую пустотность.
Истинная плотность большинства неорганических материалов составляет 2200-3300 кг/м3, стали - 7600-7900 кг/м3, сплавов алюминия - 2600-2900 кг/м3, полиэтилена - 910-970 кг/м3. Средняя плотность материалов изменяется в широком диапазоне (табл. 3.2), например, для легчайших пористых пластмасс она составляет 10-20 кг/м3, а для наиболее плотных - 2000 кг/м3 и более.
Плотность материалов растет при увеличении давления и уменьшается с повышением температуры. Исключение составляет вода, имеющая максимальную плотность при 4°С. При фазовых превращениях плотность материалов изменяется скачкообразно, увеличиваясь в процессе перехода из жидкого состояния в твердое. Вода, а также чугун и ряд других материалов при затвердевании становятся менее плотными. Плотность материалов определяют пикнометрическим методом, гидростатическим взвешиванием и др.
Для строительных материалов в ряде случаев определяют также относительную плотность ρот как отношение объема вещества в образце к полному его объему или отношение его средней и истинной плотностей:
Физические свойства строительных материалов

С плотностью материалов неразрывно связана их пористость. Общую пористость, %, можно определить по формуле:
Физические свойства строительных материалов

Для сыпучих материалов общая пористость характеризуется степенью заполнения порами отдельных зерен и объемом межзерновых пустот.
Пористость материалов существенно влияет на ряд их свойств и, в частности, тепло- и электропроводность, прочность, проницаемость.
Различают открытую и закрытую пористость. Открытую (кажущуюся) пористость можно определять по объемному водонасыщению материала. Для более точного определения открытой пористости применяют методы, основанные на вдавливании ртути в поры, пропитывании образцов жидкостью с последующим ее вытеснением, отсасывании воздуха из пор и др. Закрытую пористость определяют с помощью микроскопа, малоуглового рассеивания рентгеновских лучей и др.
Регулирование пористости - эффективное технологическое средство целенаправленного изменения свойств материалов.
При сравнительно небольших значениях пористости (П≤10%) большинство показателей физических свойств изменяется линейно в случае ее увеличения и может быть рассчитано по формуле:
Физические свойства строительных материалов

где γ - показатель свойства пористого материала; γ0 - показатель свойства материала без пор; К - коэффициент, зависящий от особенностей структуры материала и конкретного свойства (например, для электро- и теплопроводности среднее значение К составляет 1,5, прочности - 3-6).
В широком интервале пористость связана с показателями физико-механических свойств зависимостью:
Физические свойства строительных материалов

Влияние пор на свойства материалов связано не только с их относительным объемом, но и зависит от их размера, формы, открытого или закрытого характера. Например, при одинаковой общей пористости материалы с большим объемом закрытых пор более морозостойки. Увеличение объема открытых пор способствует повышению звукопоглощаемости материалов. Открытая пористость увеличивает химическую активность материалов и снижает их коррозионную стойкость. Строительно-технические свойства материалов, как правило, улучшаются при мелкопористом строении и равномерном распределении пор.
Для дисперсных материалов важной характеристикой является удельная поверхность - площадь поверхности, отнесенная к единице объема или массы. Величина удельной поверхности Sуд обратно пропорциональна размеру частиц. Для частиц шарообразной формы она равна:
Физические свойства строительных материалов

где r - радиус частицы.
С увеличением удельной поверхности материалов растет их поверхностная энергия и реакционная способность. Удельную поверхность дисперсных материалов измеряют, определяя сопротивление прохождению воздуха через слой порошка, а также адсорбционным и другими методами.
Энергетической характеристикой состояния материалов является поверхностная энергия - избыток энергии поверхностного слоя на границе раздела двух фаз. Например, значение поверхностной энергии на границе с воздухом в частности для меди составляет 1,43 Дж/м2 (при 1100°C), силикатного стекла - 0,3 Дж/м2 (при 650°С). С увеличением температуры поверхностная энергия снижается, она в значительной мере зависит от состава материала, вида и концентрации примесей. Значение поверхностной энергии материалов прямо связано с величиной поверхностного натяжения (а), характеризующего работу перехода атомов из внутренних слоев на поверхность при образовании 1 см2 новой поверхности. Поверхностное натяжение определяют для жидкостей с помощью достаточно разработанных экспериментальных методов. О величине поверхностной энергии твердых тел судят с помощью расчетных методов и, косвенно, измерением некоторых механических характеристик.
В соответствии с уравнением Гиббса-Гельмгольца свободная удельная поверхностная энергия определяется из уравнения:
Физические свойства строительных материалов

где Tdσ/dT - теплота образования единицы поверхности.
Эффективным средством увеличения поверхностной энергии материалов является их механо-химическая обработка.
Гидрофизические свойства. Эта группа свойств материалов отражает их отношение к воде. Физическое взаимодействие воды (как и других жидкостей) с поверхностью твердых тел проявляется в смачивании, обусловленном силами молекулярного взаимодействия. Смачивают твердую поверхность лишь те вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение твердого тела на границе раздела с воздухом.
Способность твердого тела смачиваться определяется, прежде всего, химической природой его поверхности и природой смачивающей жидкости. Водой смачиваются гидрофильные - обычно высокополярные вещества с ионной или полярной связью, т.е. большинство строительных материалов, таких как бетон, керамика, древесина и др. Для гидрофобных материалов - битумов, дегтей, синтетических полимеров и др., характерна низкая полярность молекулярных сил, действующих на границе с воздушной средой. Такие материалы смачиваются неполярными жидкостями, например, жидкими углеводородами, т.е. веществами, родственными им по химическому строению. Мерой смачиваемости является краевой угол θ, образуемый каплей жидкости на твердой поверхности. Для гидрофильных материалов угол θ острый, для гидрофобных - тупой (рис. 3.15).
Физические свойства строительных материалов

Степень гидрофобности материалов можно существенно изменять обработкой их поверхностно-активными веществами (ПАВ). Замечательным примером гидрофобизации в технологии строительных материалов является получение гидрофобного цемента помолом цементного клинкера с введением добавок гидрофобизующих ПАВ - жирных кислот и их солей. Получила распространение также поверхностная гидрофобизация материалов кремнийорганическими жидкостями.
Пористые гидрофильные материалы гигроскопичны, т.е. способны поглощать влагу из окружающего воздуха.
Гигроскопичность обусловлена адсорбцией воды на поверхности материала и ее конденсацией в микрокапиллярах. Процесс гигроскопического увлажнения является обратимым и поглощение влаги из воздуха идет до установления равновесия. Гигроскопическая влажность материалов зависит от многих факторов. Она увеличивается с повышением относительной влажности и снижением температуры воздуха, уменьшением воздушных тепловых потоков, ростом удельной поверхности материалов. Она зависит также от химико-минералогического состава материалов и их растворимости.
Гигроскопическая влажность в зависимости от вида материалов изменяется в широких пределах - для большинства неорганических материалов в диапазоне 1-3%, древесины - 12-18%. Гигроскопическое увлажнение обычно ухудшает качество строительных материалов: снижает активность цемента, приводит к набуханию древесины и снижению ее прочности, увеличению теплопроводности теплоизоляционных материалов и пр.
При непосредственном контакте материалов с водой они увлажняются в результате капиллярного всасывания, диффузии и гидростатического заполнения водой открытых пор.
Капиллярное всасывание вызывается силами поверхностного натяжения, возникающими на границе раздела двух фаз - твердой и жидкой.
С явлением капиллярного всасывания связан подъем воды в бетоне, кирпичной кладке, который может достигать значительной высоты. Капиллярное всасывание снижает стойкость к химической коррозии и морозостойкость строительных материалов. При капиллярном всасывании минерализованных вод в порах природных и искусственных каменных материалов отлагаются соли (солевая коррозия) при одновременном испарении из них воды. Такой процесс сопровождается сильным давлением кристаллов на стенки капилляров, что вызывает разрушающие напряжения. Соответствующая капиллярному давлению высота подъема воды h может быть найдена из уравнения:
Физические свойства строительных материалов

где σ - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом (при 20°С равное 0,0728 Н/м); φ - краевой угол смачивания; g -ускорение свободного падения; ρв - плотность воды; r - радиус капилляров.
Из уравнения (3.29) следует, что у гидрофобных материалов, для которых φ≥90°, функция cos φ принимает отрицательное значение и капиллярного всасывания не будет наблюдаться. При этом возникающее капиллярное давление препятствует проникновению воды в поры. Например, гидрофобизованный материал с диаметром пор около 10 мкм может сопротивляться гидростатическому давлению, равному примерно 0,03 МПа.
Возможность увлажнения материалов за счет капиллярного всасывания необходимо учитывать при эксплуатации зданий и сооружений. Например, для предотвращения увлажнения грунтовыми водами нижних частей зданий устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий их от фундаментов. Капиллярное всасывание можно использовать для пропитки пористых материалов защитными составами.
Диффузионное увлажнение характерно для таких высокоплотных материалов как битумы и полимеры. Скорость проникновения воды в результате диффузии, например, в среде вязкого битума составляет около 1.0 мм/сут. Она существенно зависит от температуры.
Степень заполнения пор материалов водой характеризуется их водопоглощением. Различают водопоглощение:
Физические свойства строительных материалов

где m1 - масса образца, насыщенного водой; m - масса сухого образца; V - объем сухого образца.
Из уравнений (3.30) и (3.31) следует взаимосвязь этих показателей:
Физические свойства строительных материалов

где ρ0 - средняя плотность материала.
Водопоглощение по объему характеризует открытую или “кажущуюся” пористость. В отличие от массового объемное водопоглощение всегда меньше 100%. Для металлов, стекла, фарфора водопоглощение (по массе) практически равно нулю, гранита - 0,5-0,7%, плотного бетона - 2-4, керамического кирпича - 8-20, ряда высокопористых теплоизоляционных материалов - более 100%. Boдопоглощение связано с другими свойствами материалов - прочностью, морозостойкостью, проницаемостью и др., и при необходимости, нормируется.
Влажность - содержание воды в порах и на поверхности материала. Определяют в процентах по массе или объему. Различают абсолютную и относительную влажность. Абсолютную влажность определяют как отношение массы влаги, которая находится в материале, к массе сухого материала, относительную влажность - к массе материала во влажном состоянии.
Материалы, находясь на воздухе, сохраняют свою влажность только при условии определенной равновесной относительной влажности окружающей среды. Если влажность окружающей среды, ниже равновесной, материал начинает отдавать влагу (высушивается). Скорость влагоотдачи зависит от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха, скорости нагрева и движения воздуха, пористости, величины частиц и природы материала.
Влагоотдача характеризуется скоростью выделения влаги, т.е. количеством воды, теряемой стандартным образом в течение суток при относительной влажности воздуха 60% и температуре 20°С, и выражается в процентах от массы образца. Равновесное состояние между влажностью материала и воздуха называется воздушно-сухим состоянием материала. Равновесная влажность древесины, соответствующая воздушно-сухому состоянию, - 12-18%, стеновых материалов - 5-7%.
В лабораторных условиях можно высушить материал до полного удаления гигроскопической влаги. В таком состоянии материал называется абсолютно сухим.
Для ряда материалов, применяемых при строительстве плотин, резервуаров, коллекторов и других напорных сооружений, важным свойством является водопроницаемость - способность пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материалов характеризуется коэффициентом фильтрации Кф, определяющим количество воды Vв, просочившейся в течение определенного времени τ через площадь S испытываемого материала толщиной δ при перепаде гидростатического давления ΔР:
Физические свойства строительных материалов

Наряду с коэффициентом фильтрации возможно использование и других показателей водопроницаемости (водонепроницаемости): предельного давления, которое выдерживает материал, или максимально возможной длительности при заданном давлении без появления признаков фильтрации воды.
Водопроницаемость материалов определяется, прежде всего, наличием путей фильтрации, открытыми сообщающимися порами и трещинами. Уменьшение водопроницаемости, как и проницаемости по отношению к другим флюидам достигается регулированием пористой структуры материалов, их гидрофобизацией, кольматацией (закупоркой) пор, введением в их состав некоторых добавок или пропиткой, а также нанесением защитных покрытий.
С особенностями пористой структуры связана также газопроницаемость (паропроницаемость) материалов.
Газопроницаемость - способность материалов пропускать газы через поры и трещины при возникновении на их поверхности разности давлений. Характеризуется коэффициентом газо-, паропроницаемости, показывающим массу газа или пара, прошедшего через стенку с определенной площадью поверхности 1 м2 и толщиной 1 м за один час при разности давлений 1 Па. При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным условиям.
Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью (стена должна "дышать"), при которой имеет место естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Стены жилых зданий, больниц и т.п. не рекомендуется отделывать материалами, задерживающими водяной пар. С внутренней стороны стены и покрытия влажных производственных помещений защищаются от проникновения в них водяного пара. Попадая в холодную часть ограждений пар конденсируется и создаются условия, способствующие быстрому разрушению материалов наружных ограждающих конструкций при действии мороза.
Газопаронепроницаемые материалы располагаются с той стороны ограждений, с которой содержание водяного пара больше.
Газопроницаемость в большой мере зависит от плотности и пористости материалов (табл. 3.3).
Физические свойства строительных материалов

При увлажнении материалов их механические свойства могут существенно изменяться за счет создания адсорбционно-активной среды и расклинивающего действия тонких пленок воды (эффект П.А. Ребиндера), растворения контактов срастания кристаллов, набухания глинистых минералов и др. Способность материалов сохранять прочность в насыщенном водой состоянии - водостойкость, характеризуется коэффициентом размягчения:
Физические свойства строительных материалов

где Rн - прочность образца в насыщенном водой состоянии; Rс -прочность сухого образца.
Коэффициент размягчения может изменяться практически от нуля (воздушная известь, размокающая глина) до единицы (металлы, полимеры). Для гидравлических вяжущих и бетонов, твердеющих в водной среде, при отсутствии коррозионного воздействия величина Kр может быть больше единицы.
К водостойким относятся материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8. Повышение водостойкости обеспечивается понижением растворимости и пористости материалов, их гидрофобизацией, пропиткой и покрытием водостойкими составами.
Разрушающее воздействие воды особенно велико при попеременном ее замораживании и оттаивания в порах материала. Оно объясняется развитием значительных внутренних напряжений в результате циклически повторяющегося в заполненных водой порах процесса кристаллизации льда, сопровождающегося увеличением объема. По мере чередования циклов замораживания и оттаивания в материале накапливаются остаточные деформации, вызывающие разрушения усталостного типа. Разрушению бетона при циклическом замораживании и оттаивании способствуют также гидравлическое давление, создаваемое в порах материалов водой, оттесняемой льдом, и напряжения, возникающие в результате различия коэффициентов термического расширения отдельных компонентов. Интенсивность разрушения увеличивается по мере увеличения водопоглощения, объема открытых пор, понижения температуры замораживания, т.е. увеличения, в конечном счете, объема льда, образуемого в материале. На морозостойкость, т.е. способность материалов в увлажненном состоянии сопротивляться попеременному замораживанию и оттаиванию, влияет также характер напряженного состояния материалов.
Количественно морозостойкость материалов оценивается нормированными показателями - марками, равными числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы при допустимом снижении их прочности (в пределах 5-25%) или массы (не более 5%). Морозостойкость материалов изменяется в широком диапазоне в зависимости от вида материала, его состава, характера пористости и т.д. Например, для кирпича установлены марки по морозостойкости F15-F50, для тяжелого бетона -F50-F1000.
Морозостойкость характеризуют также коэффициентом морозостойкости:
Физические свойства строительных материалов

где R2 и R1 — пределы прочности при сжатии образцов материала в водонасыщенном состоянии соответственно подвергнутых и не прошедших испытание.
Испытание водонасыщенных образцов на морозостойкость проводят в морозильных камерах последовательным замораживанием и оттаиванием образцов. Образование льда в наиболее характерных капиллярных порах материалов происходит при температуре от -15 до -20°С. Для ускоренного испытания на морозостойкость образцы испытывают в солевых растворах и при более низких температурах. Показателем деструктивных изменений в материале, который используют также при ускоренных испытаниях, являются остаточные деформации и видимые разрушения в виде шелушения поверхности образцов, появления сетки микротрещин и др. (рис. 3.16).
Увеличение морозостойкости материалов достигается, прежде всего, уменьшением открытой доступной для воды пористости, а также увеличением объема закрытых равномерно распределенных воздушных пор, размером менее 0,5 мм при оптимальном расстоянии между ними. Такие поры служат "резервными" емкостями, куда отжимается замерзающая вода, что снижает возникающие напряжения. На морозостойкость положительно влияют повышение водостойкости материалов и их прочности на растяжение.
Физические свойства строительных материалов

Теплофизические свойства. В данную группу входит ряд свойств, характеризующих отношение материалов к тепловому воздействию.
Мера тепловой энергии, необходимая для повышения температуры материалов на один градус, называется теплоемкостью. Ее определяют экспериментально с использованием калорим на основе уравнения теплового баланса системы. Теплоемкость зависит от химического состава и строения материалов, их температуры и влажности. Удельная теплоемкость, т.е. теплоемкость единицы массы или объема вещества, природных и искусственных каменных материалов изменяется в широких пределах (табл. 3.4, рис. 3.17).
Для органических материалов теплоемкость значительно выше, чем для неорганических.
Теплоемкость (С) практически линейно растет с увеличением температуры:
Физические свойства строительных материалов

где C0 - удельная теплоемкость при 0°С; T - абсолютная температура; α - константа.
Физические свойства строительных материалов

Для материалов, нагреваемых до высоких температур, используют нелинейную зависимость:
Физические свойства строительных материалов

Начиная с т.н. температуры Дебая, соответствующей максимально возможной частоте колебаний атомов в узлах кристаллической решетки без ее разрушения (0,2-0,5 температуры плавления), повышение теплоемкости с увеличением температуры становится незначительным.
Теплоемкость материалов учитывают при конструировании ограждающих конструкций, в том числе теплостойких (стены, перекрытия, печи, сушилки и др.), расчете термосного режима твердения бетона и др.
Физические свойства строительных материалов

При наличии разности температур в материалах происходит передача теплоты в направлении от менее нагретых к более нагретым участкам, обусловленная колебательным движением частиц (керамика, природные камни, стекло) или движением свободных электронов (металлы). Это явление получило название теплопроводности. Для минеральных кристаллических материалов теплопроводность уменьшается с повышением температуры, а для аморфных материалов характерна обратная зависимость. С повышением температуры уменьшается также теплопроводность металлов.
Мерой теплопроводности материала является количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу его поверхности при градиенте температур в 1°С/м, получившее название коэффициента теплопроводности λ. Ее находят экспериментально, основываясь на законе теплопроводности Фурье:
Физические свойства строительных материалов

где Q - количество теплоты, Дж; F - площадь сечения, перпендикулярная направлению теплового потока, м2; Δt — разность температур, °С; δ - толщина материала, м; τ - время, с.
Физические свойства строительных материалов

В наибольшей степени на теплопроводность влияет пористость материалов (рис. 3.18). По мере увеличения объема пор в материалах они в большей мере могут заполняться воздухом, имеющим наименьшую теплопроводность из известных веществ. Ниже для сравнения приведена теплопроводность некоторых материалов λ, с различной средней плотностью и, соответственно, пористостью:
Физические свойства строительных материалов

Для снижения теплопроводности материалов желательно создание мелкопористого строения, при котором незначителен перенос теплоты за счет конвекции, т.е. перемещения нагретого воздуха в порах. Теплопроводность уменьшается также по мере усложнения химического состава материалов, перехода от кристаллической структуры к аморфной.
Предложен ряд формул для расчета теплопроводности в зависимости от пористости. Наиболее простые из них, рекомендованные к использованию до температуры 500°С, имеют вид:
Физические свойства строительных материалов

где λ - теплопроводность пористого материала; λ0 - теплопроводность материала при отсутствии пор; П - общая пористость (в частях единицы); К - коэффициент, учитывающий особенности состава и структуры материала.
Для расчета ориентировочного значения теплопроводности воздушносухих (влажностью 1-7%) минеральных материалов в зависимости от плотности В.П. Некрасов предложил формулу:
Физические свойства строительных материалов

где d - относительная плотность.
Теплопроводность металлов с повышением температуры уменьшается, для большинства других материалов возрастает. Это особенно необходимо учитывать при выборе материалов для тепловой изоляции паропроводов, котельных установок и др.
Расчетные значения теплопроводности материалов линейно изменяются с изменением влажности W:
Физические свойства строительных материалов

где Δλ - прирост теплопроводности, % на каждый процент изменения влажности материала (для минеральных материалов Δλ=0,0023 при положительных температурах и 0,047 - при отрицательных); λс - теплопроводность сухого материала.
В порах материалов диаметром 0,027-0,1 мм теплопроводность воздуха при 0°С составляет 0,024-0,031Вт/(м °С), воды - 0,58, льда -2,326 Вт/(м °С).
Теплопроводность - один из определяющих показателей качества теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов. С теплопроводностью однозначно связано термическое сопротивление Rт, характеризующее сопротивление материалов теплопередаче:
Физические свойства строительных материалов

где δ - толщина материала.
Величина термического сопротивления - один из важнейших нормируемых показателей для ограждающих конструкций, устанавливаемый в зависимости от температурной зоны их эксплуатации. Например, для наружных стен из кирпича, камней и мелких блоков при использовании утеплителей термическое сопротивление принимается равным 1,7-2,2, покрытий и перекрытий - 2-2,7, окон и балконных дверей - 0,39-0,5 (м2 °С)/Вт. Для многослойных ограждающих конструкций величина термического сопротивления вычисляется по формуле:
Физические свойства строительных материалов

где δi, λi - толщина и коэффициент теплопроводности i-гo слоя конструкции.
Увеличение амплитуды колебаний атомов и молекул при нагревании приводит к изменению межатомного расстояния и тепловому расширению твердых тел. Для характеристики теплового расширения используется обычно температурный коэффициент линейного расширения αр (коэффициент термического расширения - к.т.р.), учитываемый при устройстве температурных швов, нанесении защитных покрытий, подборе составов композиционных материалов. Он характеризуется относительным удлинением образца при нагревании его на 1°С:
Физические свойства строительных материалов

где Δl — изменение размера образца после нагревания; l - начальный размер образца; Δt - изменение температуры при нагревании образца.
Температурный коэффициент линейного расширения органических материалов значительно больше, чем неорганических. Так, если для кварцевого стекла он равен 0,5*10в-6, дюралюминиевого сплава - 2,2*10в-6, стали - 12*10в-6, то для поливинилхлорида αр = (80...90)*10в-6; полиэтилена - (l60...230)*10в-6 град-1.
С уменьшением температурного коэффициента линейного расширения возрастает термостойкость - способность материалов сохранять механические характеристики при одно- и многократных термических воздействиях.
К материалам высокой термостойкости относятся материалы с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим 45 10в-7 град-1. Например, изделия из плавленого кремнезема (αр<7*10в-7 град-1) не разрушаются при термическом ударе практически любой интенсивности.
Термостойкость материалов определяют температурой, нагревание до которой с последующим быстрым охлаждением резко уменьшает прочность материалов. Возможна характеристика термостойкости числом теплосмен, выдерживаемым материалом при определенной температуре. Термостойкость характеризуют также в форме критериальной зависимости, например, в виде отношения прочности к величине термических напряжений. Последние могут быть вызваны градиентами температур, анизотропией температурного коэффициента линейного расширения, локальными химическими реакциями и полиморфизмом. Термостойкость материалов увеличивается с повышением их теплопроводности и прочности, уменьшением модуля упругости, увеличением их однородности.
Способность материала противостоять действию высоких температур, не расплавляясь, называют огнеупорностью. Ее характеризуют обычно температурой, при которой образец пирамидальной формы при деформации касается вершиной основания. Высокая огнеупорность и температура плавления характерны для однокомпонентных систем (например, чистых оксидов). Для многокомпонентных материалов появление расплава и соответственно размягчение при нагревании наблюдается при более низких температурах.
К огнеупорным относятся материалы с огнеупорностью 1580-1770 (динасовые, кварцевые, шамотные и др.), высокоогнеупорными - выше 1770°С (высокоглиноземистые, хромитовые, карборундовые и др.).
Для материалов, работающих при высоких температурах, решающее значение могут иметь свойства сопротивляться деформированию и противостоять химическому разрушению - жаропрочность и жаростойкость. Примерами жаропрочных материалов являются сплавы на основе железа, никеля и кобальта, сложные металлооксидные, металлокарбидные и другие композиционные материалы.
Различают металлические, керамические, керамикометаллические, углеграфитовые, стеклокристаллические жаростойкие материалы. Жаростойкость можно улучшить армированием с помощью нитеобразных кристаллов и поликристаллических волокон или нанесением жаростойких покрытий.
Способность материалов не ухудшать физико-механические свойства под действием открытого пламени характеризует их огнестойкость. Предел огнестойкости строительной конструкции измеряется продолжительностью действия открытого пламени до появления сквозных трещин или отверстий, через которые свободно проникают огонь и продукты горения. Предел огнестойкости достигается также тогда, когда повышение температуры на необогреваемой поверхности составляет более 220°С и конструкция теряет несущую способность. Для незащищенных металлических конструкций предел огнестойкости составляет 0,5 ч, железобетона - 1-2, бетона - 2-5 ч.
Главным показателем пожарной безопасности материалов является их сгораемость. По сгораемости строительные материалы разделяют на три группы:
• несгораемые, не способные гореть на воздухе;
• трудносгораемые - способные воспламеняться под воздействием источника горения, затухающие после его удаления;
• сгораемые - способные самостоятельно гореть в воздушной среде.
К несгораемым относятся природные и искусственные неорганические материалы, трудносгораемым - материалы, состоящие из несгораемых и сгораемых компонентов (асфальтобетон, бетонные изделия на органических заполнителях и др.), сгораемым - многие органические материалы без добавок антипиренов (аммонийных, борно- и фосфорнокислых солей, и др.).
Оптические свойства. Для многих, особенно отделочных строительных материалов, важное значение имеют такие оптические свойства, как цвет, блеск, прозрачность.
Цвет материалов физически можно объяснить избирательным поглощением видимой области спектра. Различают две группы цветовой окраски: ахроматическую (черно-белую), имеющую переходные оттенки, и хроматическую с определенной насыщенностью цвета, т.е. степенью приближения к чистой спектральной окраске. К основным спектрально чистым цветам, получаемым при разложении белого луча, проходящего через прозрачную призму, относят красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Учитывая ассоциативное восприятие цвета, различают оттенки льда и огня или холодные (коротковолновые - голубые, синие, фиолетовые) и теплые (длинноволновые - красные, оранжевые, желтые).
Цвет природных минеральных материалов обусловлен характером электронного взаимодействия слагающих их элементов, а также структурными дефектами, видом и концентрацией примесей.
Хромофорные свойства, т.е. способность придавать материалам определенный цвет имеют ионы переходных металлов - титана, ванадия, хрома, железа, марганца, кобальта, никеля и меди. Особое место среди хромофоров принадлежит железу. Наиболее интенсивную окраску дает Fe3+ (красную, бурую, желтую, зеленую). Ион Fe2+ вызывает более бледную, чем Fe3+ зеленоватую и голубоватую окраску. Сочетание ионов Fe3+ и Fe2+ придает сине-черную окраску минералам.
На цвет минералов существенно влияют также условия их образования, главным образом, температура и характер окружающей среды.
Примеси, вызывающие окраску минералов, могут быть неорганическими и органическими, твердыми, жидкими и газообразными. Наиболее интенсивное окрашивание минералам придают тонкодисперсные примеси.
Для получения разнообразных цветных смесей в строительстве применяют преимущественно минеральные краски (пигменты), представленные, в основном, оксидами и солями как природного, так и искусственного происхождения.
Блеск - свойство материалов отражать падающий на них свет. Количественно он выражается коэффициентом отражения Котр, функционально связанным с показателем преломления n, а для непрозрачных материалов и коэффициентом поглощения Кпогл:
Физические свойства строительных материалов

Для минералов, слагающих природные каменные материалы, часто (до 70%) встречается стеклянный блеск (n=1,5-1,8), реже (до 1-2%) - алмазный и металлический блеск (n=2,7-3,4). Блеск зависит от гладкости поверхности материалов. Высокого блеска поверхности достигают, полируя ее или используя глазури и эмали.
Прозрачность - свойство материалов пропускать свет без рассеивания. Мерой прозрачности является коэффициент прозрачности:
Физические свойства строительных материалов

где I' и I0 - соответственно, интенсивность света, прошедшего через поверхность и падающего на поверхность материала.
Светопропускание любого материала экспоненциально связано с коэффициентом поглощения Кпогл и толщиной поглощающего слоя δ (закон Ламберта-Байера):
Физические свойства строительных материалов

При Kпр=0 материал непрозрачен. Коэффициент прозрачности приближается к единице для оптического стекла, из которого изготавливают линзы и световоды. Наряду с коэффициентом прозрачности используют показатель оптической плотности:
Физические свойства строительных материалов

Уменьшить прозрачность материала можно введением различных примесей, образованием микротрещин и относительно крупных дислокаций.
Потеря прозрачности стеклом - глушение обеспечивается образованием мельчайших кристалликов, например, оксидов олова, титана, циркония. Показатели преломления стекла как дисперсионной среды, и кристаллов как дисперсной фазы, должны в глушеном стекле существенно различаться. Этот принцип используют также для глушения лакокрасочных покрытий, содержащих пленкообразующие вещества и пигменты.
Акустические свойства. Для строительных материалов, используемых в ограждающих конструкциях, учитывают при необходимости акустическое сопротивление и звукопоглощение материалов.
Акустическое сопротивление характеризует отношение амплитуды акустического давления и скорости колебаний частиц материала под влиянием этого давления. Удельное акустическое давление находят по формуле:
Физические свойства строительных материалов

где Аа.д и Ac - соответственно комплексная амплитуда акустического давления и линейная скорость колебаний частиц среды.
Если не учитывать потери при распространении звуковых волн, то удельное акустическое давление можно найти как произведение скорости распространения звука в данной среде на ее плотность. На значение удельного акустического сопротивления существенно влияет частота колебаний среды. Для определения акустического сопротивления материалов измеряют акустическое давление в трубе, закрытой с одной стороны образцом.
Звукопоглощение материалов характеризуется степенью или коэффициентом поглощения звука. Способность материалов поглощать звук обусловлена их пористостью, она растет с повышением количества открытых пор, максимальный диаметр которых не превышает 2 мм. На средних частотах материалы способны поглощать до 40% звуковой энергии волн. Звукопоглощающие материалы обеспечивают также необходимую длительность реверберации - постепенного затухания звука в помещениях. Длительность реверберации в зависимости от интерьера помещения и частоты колебаний составляет 0,2-2,0 с.
К распространенным звукопоглощающим материалам относятся минераловатные и стекловолокнистые плиты, имеющие открытую пористость не менее чем 75%.
Для повышения звукопоглощения конструкций в области низких частот увеличивают толщину материалов и обеспечивают наличие воздушных прослоек. Высокое звукопоглощение в широком диапазоне частот обеспечивается комбинацией перфорированного покрытия с пористым материалом.
Электрофизические свойства. Одним из основных электрофизических свойств материалов является электропроводность - способность проводить электрический ток. Ее измеряют отношением плотности тока к напряженности электрического поля (удельная электрическая проводимость). Этот показатель для электропроводных материалов равен 10в4-10в6 Ом-1 см-1 полупроводников 10в-10-10в4 Ом-1 см-1, электроизоляционных - менее 10в-10 Ом-1 см-1. Для проводников и полупроводников характерна электронная проводимость, для различных видов электроизоляторов (диэлектриков) - преимущественно ионная. Ионная электропроводность растет с повышением температуры (рис. 3.19). Примеси, повышая коэффициент диффузии, также способствуют увеличению ионной электропроводности. Влияние пористости на электропроводность близко к ее влиянию на теплопроводность. При наличии сравнительно небольшого количества изолированных равномерно-распределенных пор электропроводность уменьшается почти пропорционально увеличению пористости. При повышенной пористости влияние ее на электропроводность возрастает.
Физические свойства строительных материалов

Характерными твердыми электропроводными материалами являются металлы и их сплавы, электроизоляционными - керамика, стекло, слюда, асбест.
Свойством обратным электропроводности является электрическое сопротивление. Оно зависит от минерального и химического состава, структуры и влажности материала, давления и температуры (рис. 3.20). Например, оксиды SiO2, MgO, Al2O3 повышают электрическое сопротивление, a Na2O, H2O, Fe2O3, FeO - уменьшают.
Характерным процессом для материалов, входящих в группу диэлектриков, является поляризация - ограниченное смещение зарядов или ориентация дипольных молекул. Поляризация диэлектриков сопровождается рассеиванием энергии, что вызывает их разогрев. Об эффекте поляризации судят по значениям диэлектрической проницаемости и величине угла диэлектрических потерь. Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях эксплуатации. При более высоких напряжениях наступает явление пробоя диэлектриков и полная потеря им изоляционных свойств. Способность материалов выдерживать напряжение (электрическая прочность) характеризуется величиной пробивной напряженности электрического поля.
Физические свойства строительных материалов

Радиационно-физические свойства. Основными характеристиками радиационно-физических свойств материалов являются способность материалов поглощать ионизационные излучения, прежде всего, нейтроны и γ-лучи и стойкость к ним (радиационная стойкость). Эти свойства учитываются при возведении конструкций атомных электростанций, предприятий по производству изотопов и др. Из всех известных эксплуатационных факторов, воздействующих на материалы, облучение относится к числу сильнейших. Основными параметрами ионизирующего излучения являются плотность потока частиц или квантов и их энергия.
Тепловые нейтроны эффективно поглощаются материалами, содержащими атомы бора, кадмия, гафния и др. Для ослабления потока быстрых нейтронов, кроме того, используют материалы, содержащие такие легкие элементы как водород, литий, бериллий, углерод. Для материалов, поглощающих нейтронное излучение, часто используют элементарный бор, нитрид или карбид бора. С этой целью используют боросодержащую сталь.
Поглощение γ-излучения усиливается с повышением плотности материалов. Для поглощения излучения этого вида наряду с металлами используют особо тяжелый бетон, плотность которого достигает 6000 кг/м3 и более. Повышение содержания в бетоне легких элементов (водорода, бора и др.) дает возможность использовать бетон для поглощения как γ-, так и нейтронного излучения.
При воздействии ионизирующих излучений на материалы происходит разрыв химических связей, образование свободных радикалов, смещение атомов из равновесного положения в кристаллической решетке и ее деформация. Передача энергии излучения материалу может приводить к нагреву его до высоких температур и оплавлению, переходу из кристаллического состояния в аморфное. Степень и глубина качественных изменений материалов зависит от дозы облучения.
Возникающие радиационные дефекты структуры материалов при их облучении приводят к развитию в материалах внутренних напряжений и деформаций, образованию трещин. Изменяются также упругие характеристики, температурная деформативность, теплопроводность, плотность и другие свойства.
Радиационная стойкость материалов зависит от их состава и структуры. Высокую радиационную стойкость имеют нержавеющие стали, сплавы хрома, циркония, ванадия и др. Радиационная стойкость горных пород и искусственных каменных материалов растет, если увеличивается, в их составе содержание аморфной фазы и уменьшаются размеры кристаллов. Для бетонов и растворов позитивное значение имеют увеличение содержания цементного камня, уменьшение крупности заполнителя. Установлено, что при значительных дозах облучения прочность бетона на сжатие снижается в 4 раза, а на растяжение более чем в 2 раза.
Допускаемая интенсивность облучения на бетоны зависит от вида крупного заполнителя, 10в19 нейтр-см-2:
Физические свойства строительных материалов
Физические свойства строительных материалов

Радиоактивность строительных материалов характеризуется содержанием в них атомов химических элементов, способных к радиоактивному распаду (радионуклидов (Аэф), Бк/кг).
Для исходного сырья и готовых строительных материалов и изделий характерна естественная радиоактивность. Она обусловлена содержанием в материалах природных радионуклидов: радия-226, тория-232, калия-40. Основной характеристикой радиоактивности строительных материалов является суммарная удельная активность естественных радионуклидов (Аэф) (отношение активности радионуклидов в образце к массе образца, Бк/кг). Ее величину определяют по формуле:
Физические свойства строительных материалов

где ARa, ATh, Ак - удельные активности соответственно радия-226, тория-232 и калия-40.
По величине суммарной удельной эффективной активности радионуклидов строительные материалы разделяют на классы, для которых установлены возможные области использования (табл. 3.5).
Физические свойства строительных материалов

Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent