Структурные характеристики и параметры состояния материала

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства, - это плотность и пористость; важнейший параметр состояния - влажность.

Плотность – физическая величина, определяемая массой единицы объема вещества (или материала).

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

1 Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала:

, (1)

где m – масса материала,

Va – объем в плотном состоянии.

Таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал.

2 Средняя плотность – масса материала в естественном состоянии (вместе с порами). Среднюю плотность вычисляют по формуле:

, (г/см³, кг/м³) (2)

где m – масса материала,

V₀ – объем материала в естественном состоянии.

Определяется средняя плотность на образцах, имеющих правильную или неправильную форму. Объем образца неправильной формы определяется методом гидростатического взвешивания, для этого материал насыщают жидкостью, затем взвешивают на воздухе и в жидкости.

3 Насыпная плотность – масса единицы объема материала в свободнонасыпанном состоянии:

, (3)

где m₁ – масса мерного сосуда, г, кг;

m₂ - масса мерного сосуда, наполненного материалом, г, кг;

V – объем мерного сосуда, см³, м³.

4 Пористость – степень заполнения объема материала порами.

По величине пористость является дополнением к плотности, пористость изменяется от 0 до 100%.

, (4)

где - средняя плотность,

- истинная плотность.

Поры бывают открытые и закрытие. Открытые поры – это поры, сообщающиеся с внешней средой. Открытая пористость определяется по объему поглощенной жидкости. Закрытая пористость определяется как разность между общей пористостью и открытой пористостью.

П_з = П - П_о. (5)

По величине воздушных пор материалы разделяют на:

1) мелкопористые (поры имеют размеры в сотые и тысячные доли мм);

2) крупнопористые (размеры пор от десятых долей мм до 1-2 мм).

Наиболее крупные поры в изделиях и полости между кусками рыхлого материала называют пустотами. Пустотность можно вычислить по той же формуле, что и пористость.

Пористость материалов колеблется в широких пределах, например, 0,2-0,8% - гранит, 75-85% - пенобетон. От пористости зависят такие важные свойства материала как прочность, водопоглощение, морозостойкость.

Влажность – содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность Wm (%) определяют по формуле:

, (6)

где m_ВЛ – масса материала в естественно-влажном состоянии;

m_СУХ – масса материала, высушенного до постоянной массы.

Физические свойства

Гидрофизические свойства. Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения подвергаются действию воды или водяных паров, находящихся в воздухе. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства. Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Гидрофильность и гидрофобность – свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью вещества, из которого состоит материал.

Гидрофильные (от греч. рhileo – люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой. На гидрофильной поверхности капля воды растекается (Рисунок 1а), а капиллярные поры гидрофильных веществ способны втягивать воду и поднимать ее на значительную высоту.

Гидрофобные (от греч. рhobos – страх) материалы имеют низкую степень связи с водой. На их поверхности капли воды почти не растекаются (Рисунок 1б), а в капиллярные поры вода проникает на минимальную глубину или вообще не проникает.

а)	б)
Рисунок 1 – Поведение капли воды на гидрофильной (а) и гидрофобной (б) поверхностях

 

Гигроскопичность – способность материала изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. При увеличении влажности воздуха гигроскопичный материал поглощает и конденсирует водяной пар на своей поверхности, в том числе и на поверхности пор. Этот процесс называется сорбцией.

Капиллярное всасывание – способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так грунтовая вода может подниматься по капиллярам и увлажнять нижние части стен здания.

Характеризуется высотой подъема воды в материале, количеством поглощенной влаги и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена:

, (7)

где - поверхностное натяжение,

- краевой угол смачивания,

– радиус смачивания,

- плотность жидкости,

- угол свободного падения.

Поры в бетоне и других строительных материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула пригодна для качественного рассмотрения явления, высоту всасывания определяют по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенной материалом путем всасывания за время , в начальной стадии подчиняется параболическому закону: , где - константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания, т.е. , отражает улучшение структуры материала и повышает его морозостойкость.

Водопоглощение – интегральный показатель способности материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах.

Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образцом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе W_m) или к его объему (водопоглощение по объему W_o).

Водопоглощение по Wm и Wo (%) определяют по формулам:

, (8)

, (9)

где m_НАС – масса материала в насыщенном водой состоянии, г;

m_СУХ – масса сухого материала, г;

V_О – объем материала в сухом состоянии, см³;

Ρ_m – средняя плотность материала, г/см³;

ρ_Н2О – плотность воды, равная 1 г/см³.

Коэффициент размягчения k_Р – отношение прочности материала, насыщенного водой R_В, к прочности сухого материала R_C:

. (10)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Материал считается неводостойким, если коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением, характеризуемое коэффициентом фильтрации k_Ф, м/ч:

, (11)

где V_В – количество воды, м³, проходящей через стенку площадью S = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах р₁ – р₂ = 1 м вод. ст.

Чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка по водонепроницаемости материала.

Воздухостойкость – способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высушивание без значительных дефектов и потери механической прочности.

Данное свойство связано с тем, что при увлажнении материал разбухает, при высыхании дает усадку, иногда коробление материала. Это вызывает напряжения в материале и со временем приводит к разрушению. Повысить Воздухостойкость можно введением гидрофобных добавок.

Газо- и паропроницаемость – способность материала пропускать газ или пар через толщу при наличии разности давления на поверхностях.

, г/м²Па. (12)

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью, тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т.п. не отапливают материалами задерживающими апр. Стены производственных зданий и покрытия необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара, т.к. внутри производственных помещений в зимнее время в 1 м³ воздуха содержится значительно больше водяного пара, чем снаружи, поэтому пар будет стремиться выйти наружу, при этом увлажнит стенки концентруясь и тем самым снизит морозостойкость.

В ряде случаев нужна полная газонепроницаемость, это относится к емкостям для хранения газов, а так же к специальным сооружениям (газоубежища).

Газо- и паропроницаемость зависят от строения материала, средней плотности, пористости.

Влагоотдача – способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20⁰С и относительной влажности 60%.

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Чередование высыхание и увлажнения пористого материала вызывает появление трещин, ускоряющих разрушение.

Морозостойкость – способность материала, насыщенного водой, выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного снижения прочности.

От морозостойкости в большой мере зависит долговечность материалов. Основная причина разрушения материала при замерзании воды заключается в давлении на стенки пор. Плотность воды при 0⁰С = 999,9 кг/м³, а льда – 916,8 кг/м³. Таким образом, при замерзании вода увеличивается в объеме на 9%, при этом давление на стенки пор может достигнуть десятков и даже сотен МПа.

Для испытания материала на морозостойкость обычно применяют метод попеременного замораживания и оттаивания. Температура замораживания должна быть не выше -17⁰С, т.к. в капиллярах вода замерзает только при этой температуре. К морозостойким относятся те материалы, которые после установленного для них числа циклов замораживания и оттаивания не имеют трещин, расслоения и не теряют в массе более 5%, а прочность не должна снижаться более чем на 25%.

Приблизительно оценить морозостойкость можно по коэффициенту насыщения.

. (17)

Если К_НАС < 0,6 – морозостойкий материал.

Ускоренный метод испытания: материал помещают в насыщенный раствор Na₂SO₄*10H₂O и затем высушивают при t = 105⁰С, повторяя это испытание 5 раз. Кристаллы Na₂SO₄ давят на стенки поры гораздо сильнее, чем вода. Такое испытание является довольно жестким. И если материал его не выдержал, делают обычное замораживание и оттаивание.