Основные физические свойства некоторых строительных материалов (в воздушно-сухом состоянии)

Таблица 1.1

Материал	Истинная плотность, кг/м^3	Средняя плотность, кг/м^3	Порис­тость, %	Теплопро­водность, Вт/(м-К)
Древесина: сосновые доски двп				0,17 0,08
Природный камень: гранит вулканический туф			1,4	2,8 0,5
Сталь строительная
Керамический кирпич:
полнотелый				0,75
пустотелый				0,55
Стекло:
оконное				0,56
пеностекло				0,11
Бетон:
тяжелый		1800...2500	5...15	1,16
легкий		500...1800	30...80	0,2...0,35
Полимерные материалы:
стеклопластик				0,5
мипора - пенопласт		40...60	95...98	0,06

 

Важными для строительных материалов являются физические свойства, определяющие отношение к действию воды, пара, газов, так как в конструкциях, при транспортировании и хранении материалы подвергаются воздействию названных факторов. Эти свойства назы­вают гидрофизическими.

Гигроскопичность — свойство пористого материала поглощать водяной пар из воздуха. Степень гигроскопичности зависит от коли­чества и величины пор в материале, его структуры, температуры и относительной влажности воздуха. Материалы с одинаковой пористо­стью, но с более мелкими порами обладают более высокой гигроскопич­ностью, чем крупнопористые. Высокая гигроскопичность сказывается отрицательно на физико-механических характеристиках материалов. Например, цемент при хранении поглощает из воздуха водяные па­ры, теряет активность, комкается и теряет прочность; древесина при влажном воздухе разбухает, изменяется форма и размеры деревян­ных изделий.

Систематическое увлажнение и высыхание (разбухание и усушка) древесины может привести к короблению и образованию трещин усушки. Гигроскопичность строительных материалов различ­на: одни из них активно притягивают своей поверхностью молекулы воды, — их называют гидрофильными (глина, минеральные вяжу­щие — гипс, цемент); другие, наоборот, отталкивают воду, — их назы­вают гидрофобными (битумы, стекло, полимеры).

Гигроскопичность строительных материалов необходимо учи­тывать при их сушке, длительном хранении, перевозке. Гигроскопич­ность некоторых пористых изоляционных материалов может в определенных эксплуатационных условиях привести к увеличению теп­лопроводности ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Влажность (W) — это количество воды в материале. Различают абсолютную влажность (г) и относительную (%). Относительную влаж­ность вычисляют по формуле:

W = [(m_в – m_с)/ m_с]100,

где m_c — масса сухого образца, г;

m_d — масса влажного образца, г.

При увлажнении материалы изменяют свои свойства увеличи­ваются плотность, теплопроводность и снижается прочность. Поэтому при хранении и перевозке строительных материалов ГОСТ требует предохранения их от увлажнения.

Водопоглощением называют свойство материалов впитывать и удерживать воду. Водопоглощение определяют по стандартной мето­дике, погружая образцы материала в воду с температурой 20 ± 2 °С и выдерживая их в воде определенное время. Водопоглощение можно определить по отношению к массе сухого материала или по отноше­нию к естественному объему материала. Различают водопоглощение по массе — W_м и по объему — W₀ и вычисляют их по формулам (в %):

W_м = [(m_н – m_с)/ m_с]100

W_о = [(m_н – m_с)/ V]100

где m_c — масса сухого образца, г;

m_н — масса образца, насыщенного водой, г;

V — объем образца в естественном состоянии, см³.

Водопоглощение материала обычно меньше его пористости, так как поры могут быть закрытыми или очень мелкими и вода в них не проникает, а в очень крупных порах вода не удерживается. У высоко­пористых материалов (древесина, минераловатные и стекловолокнистые плиты) водопоглощение по массе может быть более 100%; объем­ное водопоглощение всегда меньше 100%.

Для насыщения водой образец погружают в воду постепенно или выдерживают его в кипящей воде (СТБ 4.2306 — 94).

В результате насыщения водой свойства материалов значи­тельно изменяются; увеличиваются теплопроводность, плотность, а у некоторых материалов (например, у дерева) также и объем.

Установим зависимость между водопоглощением по массе и по объему:

отсюда

Показатели водопоглощения строительных материалов различны. Например, Водопоглощение по массе гранита 0,1...0,8%, керамических плиток для полов — 1...4, тяжелого бетона — 2...3, керамического кирпи­ча — 8...15, теплоизоляционных газосиликатных материалов — 50...75%.

Увлажнение и насыщение водой отрицательно влияет на проч­ность материалов, снижая ее.

Водостойкостью материала называют его способность сопротив­ляться разрушительному действию влаги. Количественно водостой­кость материала оценивают коэффициентом размягчения К_р. Послед­ний равен отношению предела прочности материала, насыщенного водой R_н, к пределу прочности сухого материала R_c: К_р = R_н /R_c.

Коэффициент размягчения колеблется в пределах от 0 (у гли­няных необожженных материалов) до 1 (у стали, битумов). Материа­лы с коэффициентом размягчения больше 0,8 называют водостойкими.

Водостойкость — важная характеристика строительных мате­риалов, которые применяют в гидротехнических сооружениях. Водо­стойкость можно повысить искусственно, снижая гидрофилъность, уменьшая смачиваемость материалов водой, а также нанесением гидрофобных покрытий.

Высокая гидрофобность и водостойкость некоторых материалов позволяют применять их в качестве гидроизоляционных материалов (битумы, полимерные пленки).

Влагоотдача — свойство материала отдавать воду при наличии соответствующих условий в окружающей среде (повышении темпера­туры, движении воздуха, снижении влажности воздуха).

Влагоотдача характеризуется скоростью высыхания материала, т.е. количеством воды, теряемым за сутки материалом при относи­тельной влажности воздуха 60% и температуре 20 °С (в % массы или объема стандартного образца стройматериала). Величина влагоотда­чи имеет большое значение для многих материалов: мокрой штука­турки стен, твердеющего бетона (в первом случае желательна быстрая влагоотдача, во втором — замедленная).

В строительных конструкциях никогда не бывает материала в абсолютно сухом состоянии: он всегда имеет определенную влажность.

Водопроницаемостью называют способность материала пропус­кать воду под давлением. Величина водопроницаемости характеризу­ется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см² площади испытуемого материала (образца) при постоянном давлении. Степень водопроницаемости зависит от строения и пористости материала. Ма­териалы особо плотные, т.е. у которых истинная и средняя плотности равны (металл, стекло), являются водонепроницаемыми.

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаи­вания без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Морозостойкость — важное свойство, характеризующее долго­вечность строительных материалов в конструкциях. В осеннее время года материалы в конструкциях насыщаются водой (например, на­ружная часть стены). При наступлении даже небольших морозов вода в крупных порах замерзает и, переходя в лед, увеличивается в объеме на 9%. Лед играет роль клина, он давит на стенки пор и разрушает их. При повторном увлажнении вода проникает еще глубже в мате­риал. Эти процессы повторяются. Разрушение начинается обычно в виде «шелушения» поверхности материала, а затем распространяется вглубь.

Определение морозостойкости материалов проводят в лаборато­риях на стандартных образцах (бетонные кубы, кирпич и т.п.). Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого их помещают в холодильные камеры, замораживают при температуре от -15 до -20°С и выдерживают некоторое время (4...8 ч), чтобы вода замерзла даже в тонких порах. Затем образцы оттаивают в воде комнатной температуры +20°С в течение 4 ч и более. Одно такое испытание на­зывают циклом. Число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое должен выдерживать материал без разрушения при условии, что прочность его понизится не более чем на 25%, а по­теря массы не превысит 5%, и характеризует морозостойкость мате­риала. По степени морозостойкости, т.е. по числу выдержанных цик­лов, материалы подразделяют на марки: ПО, Р15, Р25, Р35, Р50, Р100, Г150, Г200, РЗОО, Г400, Р500 (СТБ 4.204—94). Например, керамический кирпич по морозостойкости подразделяют на марки П5, Р25, Р35, Р50; тяжелый бетон — Р50, Р75, Г100, Г150, Г200, ГЗОО.

Пористые материалы, как правило, являются достаточно моро­зостойкими, если при насыщении вода заполняет не более 85% объе­ма пор. Значит, наибольшей морозостойкостью обладают плотные ма­териалы и материалы с закрытой структурой пор и пустот. Обычно после замораживания наблюдается понижение прочности материала по сравнению с прочностью в водонасыщенном состоянии.

При выборе материалов важно знать их реакцию на действие высоких температур, открытого огня, звуковых волн, различных из­лучений. Эти характеристики определяют области применения мате­риалов общего и специального назначения. Так, материалы ограж­дающих конструкций зданий и сооружений должны уменьшать теплообмен с окружающей средой; важным показателем надежности конструкционных и отделочных материалов является их огнестой­кость; при выборе материалов для звукопоглощающих облицовок нужно знать их акустические свойства.

Свойства материалов, связанные с изменением температуры, называют теплофизическими.

Теплопроводностью называют свойство материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий из-за разности тем­ператур на поверхностях, ограничивающих материал. Свойство про­водить тепло является общим для всех строительных материалов, од­нако теплопроводность разных материалов различна (см. табл. 1.1).

Теплопроводность материала зависит от характера пор и вида материала, его пористости, влажности, плотности и средней темпера­туры, при которой происходит передача тепла.

Степень теплопроводности различных строительных материалов характеризуется теплопроводностью, которая обозначается буквой λ.

Рассмотрим передачу тепла плоской стеной с параллельными ограничивающими поверхностями из материала толщиной а (м) и площадью А (м²). Если на поверхностях стены будут различные, но постоянные температуры Т₁ и Т₂ (Т₁ > Т₂), то через стену будет проходить постоянный тепловой поток. Количество тепла Q(Дж), прохо­дящее через стену за Z с, прямо пропорционально разности темпера­тур, площади стены и времени Z и обратно пропорционально толщине стены:

Q = λA(T₁ – T₂)Z/а,

отсюда можно определить теплопроводность (Вт/(м-К)):

λ = Qа/А(Т₁ – Т₂)Z,

т.е. теплопроводность численно равна количеству теплоты, проходя­щей за 1 с через стену толщиной 1 м площадью 1 м2 при разности температур на поверхностях 1 К (СТБ 4.206 — 94).

Теплопроводность материала зависит и от его структуры: у ма­териалов с волокнистым и слоистым строением теплопроводность по­перек и вдоль направления волокон неодинакова (древесина).

На теплопроводность материала оказывает влияние его влаж­ность. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как у воды λ = 0,052 Вт/(м-К), т.е. в 25 раз больше, чем у воздуха.

При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у некоторых (например, металлов) уменьшается.

Теплопроводность — важное свойство материалов для наруж­ных стен, перекрытий и покрытий, изоляции теплосетей, холодиль­ников, котлов и т.п.

Степень теплопроводности очень важно знать у материалов, используемых для устройства так называемых ограждающих конструкций зданий (т.е. наружных стен, верхних перекрытий, полов в нижнем этаже) и в особенности теплоизоляционных материалов, на­значение которых способствовать сохранению тепла в помещениях и тепловых установках.

Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагрева­нии и отдавать при охлаждении определенное количество теплоты. Отношение теплоемкости к единице массы называют удельной тепло­емкостью с.

Для нагревания материала, имеющего массу (кг) от температу­ры (К) до (К), необходимо затратить количество теплоты (Дж), прямо пропорциональное массе материала и разности температур:

Q = сm,

где с — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К), отсюда с = Q/m(Т₂ - Т₁),

т.е. удельная теплоемкость численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг материала на 1 К. Удельная теплоемкость строительных материалов различна. Например, у сосны — 2,51 кДж/(кг-К), у природных камней — 0,75...0, 93, у керамического кирпича — 0,74, у тяжелого бетона — 0,8...0,92, у воды — 4,187кДж/(кг-К).

Теплоемкость строительных материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости наружных стен отапливаемых зданий, расчете подогрева составляющих растворов, бетонов и т.п. для работы в зимнее время, а также при расчете отопительных систем.

Огнестойкость — способность материала противостоять дейст­вию огня, высоких температур и воды в условиях пожара.

У одних материалов (известняк, доломит, органические мате­риалы) огонь вызывает химическое разложение, другие (алюминий, пластмассы) плавятся, третьи (сталь, гранит) деформируются и раз­рушаются.

Ко всем материалам, используемым в строительстве, предъяв­ляют требования по огнестойкости, зависящие от категории здания и сооружения по пожарной безопасности, определяемой СНиПом.

Строительные материалы по степени огнестойкости подразде­ляются на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях пожара не воспламеняют­ся, не тлеют и не обугливаются. К несгораемым материалам относят керамический кирпич, черепицу, бетон, асбестоцементные и природ­ные каменные материалы.

Трудносгораемые материалы под действием огня и высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, но только при наличии источника огня (при удалении источника огня горение и тление прекращаются). К этим материалам относят фибро­лит, стеклопластики, асфальтовый бетон, оштукатуренную древесину.

Сгораемые материалы под действием огня и высокой темпера­туры воспламеняются, горят или тлеют и продолжают гореть после удаления источника огня. К сгораемым материалам относят древеси­ну, рубероид, войлок, пластмассы, обои, битумы, полимерные мате­риалы.

Для повышения огнестойкости материалов их пропитывают или обрабатывают специальными огнезащитными составами — антипиренами. Эти составы под действием огня выделяют газы, не под­держивающие горения, или образуют на материале пористый защит­ный слой, замедляющий его нагрев.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать продолжи­тельное воздействие высоких температур без деформаций и размяг­чения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огне­упорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

Огнеупорные материалы могут выдерживать длительное воз­действие температуры свыше 1580 °С. Их применяют для футеровки внутренних поверхностей промышленных печей (шамотный кирпич, магнезитовые и графитовые материалы).

Тугоплавкие материалы могут выдерживать без размягчения температуру 1350...1580 °С (гжельский кирпич для кладки печей).

Легкоплавкие материалы размягчаются при температуре ниже 1350°С (полнотелый и пустотелый керамический кирпич).

Радиационная стойкость — способность материала противо­стоять воздействию ионизирующих излучений.

Уровни радиации вокруг современных источников ионизирую­щих излучений настолько велики, что может произойти глубокое из­менение структуры и свойств материала. Под воздействием радиации у металлов заметно возрастает предел текучести, у углеродистой ста­ли и алюминиевых сплавов уменьшается пластичность, у керамиче­ских материалов уменьшаются плотность и теплопроводность; стекло окрашивается.

Для защиты от радиоактивных излучений применяют особо тя­желые бетоны, приготовленные на заполнителях: барите, металличе­ском скрапе, чугунной дроби и т.п. (р0 = 4000...5000 кг/м3); гидратные бетоны с добавками карбида бора, хлористого лития и др.; свинец; ячеистое стекло.

Акустические свойства материалов характеризуют их способ­ность ослаблять энергию распространяющихся по воздуху и через конструкции зданий слышимых звуковых волн. К ним относят звуко­проводность и звукопоглощение.

Звукопроводностью называют способность материала проводить через свою толщу звук.

Звукопоглощение — способность материала поглощать и отражать падающий на него звук.

Звукоизолирующая способность (звукоизоляция) ограждения определяется по формуле

ЗИ =I/

где I — падающая звуковая энергия;

I_пр— звуковая энергия, прошедшая через материал.

Звук или звуковые волны — механические колебания, распро­страняющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Различают звуки воздушные, распространяемые в воздухе, и ударные (по конст­рукциям).

Для изоляции воздушного шума используют плотные, тяжелые материалы (кирпичная кладка, бетон, шлакобетон, слоистые панели из плотных звукопоглощающих материалов). Для изоляции ударного шума применяют упругие материалы (древесно-волокнистые плиты, маты из стекловаты и шлаковаты). Для звукопоглощения используют пористые материалы (вату минеральную, пористые плиты, штукатур­ку, мипору).

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства материалов имеют важное значение для строительных конструкций, работающих под нагрузкой. Основ­ными механическими свойствами являются прочность, твердость, истираемость, упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление уда­ру, износ.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению от внутренних напряжений, возникающих в нем при воздействии внешних сил. В конструкциях строительные материалы при действии нагрузок испытывают различные деформации и соответствующие им напряжения: сжатия, растяжения, изгиба, среза и др.

В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, все они подразделяются на пластичные (углеродистые стали, алюми­ний, медь) и хрупкие (бетон, природные камни, чугун и др.).

Различные материалы по-разному сопротивляются деформаци­ям. Например, природные и искусственные камни (гранит, бетон, кирпиче и т.д.) хорошо сопротивляются сжатию и значительно (в 5... 50 раз) хуже — растяжению. Поэтому указанные материалы следует применять в строительных конструкциях, работающих на сжатие (стены, колонны и др.). Другие материалы (древесина, сталь) одина­ково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению, хорошо работают на изгиб, поэтому их можно применять в конструкциях, работающих на изгиб (фермы, балки и др.).

Прочность является основным свойством большинства строи­тельных материалов; от прочности зависит величина нагрузки, кото­рую будет воспринимать конструктивный элемент в процессе экс­плуатации.

Мерой прочности материалов является предел прочности.

Предел прочности — максимальное напряжение, при котором происходит разрушение образца материала.

Предел прочности при сжатии R_cж или предел прочности при растяжении R_р, МПа, равен отношению разрушающей нагрузки F

к площади поперечного сечения образца А, подвергающегося испыта­нию, и вычисляется по формуле (СТБ 4.206 — 94)

R_cж(R_р) = F/A

где F — разрушающая нагрузка, Н; А — площадь поперечного сече­ния образца, мм².

Предел прочности при изгибе образца прямоугольного сечения при действии одной сосредоточенной силы, приложенной по середине образца, вычисляют по формуле

R_изг = 3 Fl/2bh²?

где l — расстояние между опорами, мм;

b и h — ширина и высота по­перечного сечения образца, мм.

Предел прочности материалов определяют при испытании стандартных образцов (рис. 1.1). Форма и размеры образцов должны соответствовать требованиям ГОСТа. Для испытания материалов на сжатие образцы изготовляют в виде куба или цилиндра, на растяже­ние — в виде призмы или стержня или в виде восьмерки (для биту­ма), на изгиб — в виде балочки (призмы), кирпича (в натуре) на двух опорах. Испытывают образцы до разрушения в лабораториях на гид­равлическом прессе или разрывных машинах.

 

Рис. 1.1. Стандартные образцы для испытания материалов: I — на сжатие: а — плотный природный камень; б — пористый природный камень; в — бетон; г — кирпич (куб склеен из двух половинок); II — на изгиб: а — цементный раствор; б — кирпич; III — на растяжение: сталь

 

Различные материалы обладают неодинаковым пределом прочности при сжатии: от 0,5 (торфяные плиты) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь).

Прочность конструкционных строительных материалов характе­ризуется маркой (М), которая, как правило, совпадает по значению с минимально допустимым пределом прочности при сжатии. Марка ма­териала по прочности является важнейшим показателем его качества.

Для каменных материалов марку определяют по пределу проч­ности при сжатии (в ряде случаев с учетом прочности при изгибе). Для каменных материалов установлены следующие марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000. Например, марка прочности материала М150 означает, что предел прочности при сжатии материала составляет 15... 19,9 МПа.

В табл. 1.2 приведены пределы прочности при сжатии, изгибе и растяжении некоторых строительных материалов.

Таблица 1.2