Пористость можно рассчитать по следующей формуле

(2.16)

Значения r₀ и r_и выражаются в одних единицах – г/см³ или кг/м³. Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.

В случае, если необходимо определить, сколько пор в материале замкнутые (они менее опасны) или открытые, как они распределяются в объеме материала, каково соотношение пор разных диаметров, то тогда, кроме расчета пор по приведенной формуле, проводят дополнительные исследования с использованием специальных методов: ртутной пирометрии, капиллярного всасывания и др.

На прочность материалов значительно влияют величина пористости и размер пор. При одном и том же составе вещества строительный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, чем больше и крупнее поры в его объеме.

От пористости зависят и другие качественные характеристики материала, например, способность проводить теплоту, звук, поглощать воду.

Различают открытую и закрытую пористость материалов.

Открытая пористость П₀ равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V:

где m₁ и m₂ – масса образца соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.

Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например, при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают морозостойкость.

Поры по своему размеру подразделяют на капиллярные (капилляры) и некапиллярные. К капиллярным принято относить поры с условным радиусом не более 10 мкм.

Некапиллярные поры (т.е. поры с условными радиусами более 10…20 мкм) могут заполняться водой только при погружении материала в жидкость. Эти открытые поры заполняются водой постепенно и не полностью, так как этому препятствует находящийся там воздух.

Открытые поры с защемленным в них воздухом профессор С.В.Шестоперов назвал «подрессорными порами» и показал пути создания таких пор в бетонах, используемых в транспортном строительстве, для повышения их морозостойкости. Например, в бетонные смеси, предназначенные для дорожных одежд, вводят специальные воздухововлекающие добавки.

В капиллярные поры вода может попадать в результате капиллярного подсоса, который связан с ее поверхностным натяжением.

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

В современных поромерах измерение пористости автоматизировано и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах.

Все свойства материала определяются его составом и строением и, прежде всего, величиной и характером пористости.

Пустотность

Пустоты в рыхлых насыпных материалах (межзерновое пространство) значительно крупнее пор. Поры обычно заполнены воздухом или водой, тогда как вода в пустотах не задерживается (быстро испаряется или стекает). Расчет пустотности производят по формуле

(2.17)

где r_н – насыпная плотность выражена в кг/м³;

r₀ – средняя плотность, измеряется в г/см³.

 

Гидрофизические свойства

Способность материала поглощать воду оценивается по показателям водопоглощения, водонасыщения, гигроскопичности, влажности, влагоотдачи, капиллярного всасывания, водопроницаемости.

Водопоглощение – способность открытых пор материала поглощать воду в течение определенного времени при обычном давлении и температуре. Полному и быстрому заполнению открытых пор препятствует находящийся в них воздух.

Время водопоглощения различных материалов в лаборатории определяется соответствующими стандартами.

Различают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.

водопоглощение по массе (W_m) определяется как отношение массы поглощенной воды к массе сухого материала

(2.18)

где m₁ – масса сухого материала, m₂ – масса насыщенного водой материала.

водопоглощение по объему (W_V) определяется как отношение массы поглощенной воды к объему сухого материала (V):

(2.19)

Поскольку объем сухого материала равен

то (2.20)

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита – 0,2-0,7 %, тяжелого бетона – 2-4 %, кирпича – 8-15 %, пористых теплоизоляционных материалов – 100 % и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой, равный отношению водопоглощения по объему к пористости:

К_н = W_V/П < 1.

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры материала замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда W₀ = П. Уменьшение К_н (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водонасыщение – определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. При этом из открытых пор полностью вытесняется воздух и они целиком заполняются (насыщаются) водой.

Водонасыщение характеризует объем открытых пор в материале. Оценка этого показателя осуществляется по тем же зависимостям, что и показатель водопоглощения.

Гигроскопичность – способность капиллярно-пористого материала поглощать влагу из окружающего влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха.

Характеристикой этого свойства материала является величина отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и его температуре +20° С к массе сухого материала.

Влажность – содержание влаги в материале (естественная влажность в данный конкретный момент), отнесенная к массе материала в сухом состоянии (%):

(2.21)

где m₁ – масса материала в естественно-влажном состоянии, г,

m₂ – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Эта характеристика материала измеряется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха, равной 60 % и температуре +20° С. В случае, если между влажностью окружающей среды и влажностью материала устанавливается равновесие, то при этом гигроскопичность и влагоотдача отсутствуют. Такое состояние называется воздушно-сухим.

Капиллярное всасывание воды – способность пористого материала всасывать воду. Так, например, грунтовые воды земляного полотна дороги могут подниматься по капиллярам пор и увлажнять нижние слои дорожной одежды.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в капилляре по формуле:

(2.22)

где s – поверхностное натяжение воды;

q – краевой угол смачивания;

r – радиус капилляра (поры);

r – плотность воды при данной температуре;

g – ускорение свободного падения.

Поры в строительных материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение (радиус). Поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения капиллярного всасывания воды в материал.

Объем воды V, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, приближенно описывается формулой:

V² = kt, (2.23)

где k – константа всасывания.

Водопроницаемость (или водонепроницаемость) – способность материала пропускать (или не пропускать) воду под давлением. Это свойство материала характеризуют коэффициентом фильтрации К_ф (м/ч).

(2.24)

где V_в – количество воды (м³), проходящей через стенку площадью S=1 м², толщиной a= 1 м за время t =1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки р₁ – р₂ = 1 м водного столба. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости.

При строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, труб не допускается водопроницаемость этих сооружений. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами (стекло, сталь, полиэтилен), устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Для определения водонепроницаемости существуют различные методики. Но в любом случае на одной поверхности материала создают давление воды и в результате опыта определяют, появилась ли вода на противоположной поверхности. Водопроницаемость характеризуют либо временем появления первой капли воды при заданном давлении, либо давлением, при котором это произошло.

Вода – один из главных врагов строительных материалов. Ее воздействие вызывает определенные последствия: усадку, набухание, снижение прочности при обычных положительных температурах, а при переходе через нулевую температуру в сторону отрицательных ее значение (после n циклов замораживания – оттаивания существенно снижает прочность материалов – их морозостойкость).

Усадка (усушка) – уменьшение размеров материала при его высыхании. Этот процесс вызывается уменьшением толщины пленок воды, окружающих частиц материала и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

В таблице 2.3 представлены значения усадки некоторых строительных материалов.

 

Таблица 2.3 Усадка строительных материалов

 

Материал	Усадка, мм/м
Древесина поперек волокон	30…100
Ячеистый бетон	1…3
Тяжелый бетон	0,02…0,06
Строительный раствор	0,5…1
Кирпич	0,03…0,1

 

Набухание (разбухание) – увеличение объема материала после водопоглощения. Причина этого явления состоит в том, что полярные молекулы воды, проникая в полости между частицами или волокнами материала, как бы «расклинивают» их и при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц.

Чередование высыхания и увлажнения пористых материалов сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия вызывают появление трещин, что уменьшает прочность и долговечность сооружений.

Снижение прочности материала после его водонасыщения (водостойкость) характеризуют коэффициентом размягчения:

(2.25)

где R_нас – предел прочности при сжатии насыщенного водой материала;

R_сух – предел прочности сухого материала.

Требования к этому показателю для различных материалов определяются условиями эксплуатации и регламентированы различными стандартами и техническими условиями. Например, для асфальтовых бетонов, используемых в верхнем слое покрытий, он должен быть не менее 0,8…0,9.

Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание – оттаивание.

Попеременное замораживание – оттаивание материалов происходит в осенне-весенний периоды года, когда температура воздуха меняется от отрицательных значений (переходя через 0°С) – к положительным.

Такие воздействия испытывают материалы покрытий автомобильных дорог, гидротехнических сооружений, мостов и других конструкций транспортных объектов.

Находящаяся в открытых порах материала вода, замерзая, увеличивается в объеме на 9 %. При этом в порах материала возникают напряжения, значительно превышающие прочность материала. В результате повторяющихся циклов материал разрушается, теряя прочность (рис. 2.8).

Морозостойкость материала зависит от его структуры, степени заполнения пор водой, формы и размера пор, наличия защемленного воздуха в порах после водонасыщения, ионного состава вода-среда», температуры замораживания и многих других факторов.

Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости (F). За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания – оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 % и потери массы – не более 5 %. Образцы после испытания не должны иметь видимых повреждений – трещин, выкрашивания.

От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию температурных градиентов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата.

Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют марку по морозостойкости 15, 25, 25. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку 50, 100, 200, а гидротехнический бетон – 500.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров. Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре –15…20°С. Извлеченные из камеры образцы оттаивают в воде с температурой 20°С. Для бетонов дорожных и аэродромных покрытий, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, насыщение и оттаивание производят в 5 % растворе хлористого натрия.

Требуемое число циклов попеременного замораживания – оттаивания (n_тр) определяют по формуле

n_тр = Т_сл × n_кл × к_з,, (2.26)

где Т_сл – срок службы сооружения;

n_кл – среднегодовое число циклов замораживание – оттаивание климатического района эксплуатации;

к_з – коэффициент запаса по морозостойкости.

Теплофизические свойства

При воздействии тепловых факторов все строительные материалы отличаются: теплопроводностью, теплоемкостью, температуростойкостью, огнеупорностью и огнестойкостью.

Теплопроводность – свойство материала передавать тепловой поток через свою толщу. Это свойство является главным для теплоизоляционных материалов, а также очень важным для устройства земполотна и дорожных одежд автомобильных дорог.

Это явление возникает, когда на противоположных поверхностях слоя материала существует разность температур, например, на внешней и внутренней поверхностях стены здания.

Количество теплоты, прошедшее через стену толщиной h площадью S в течение времени z при разности температур на противоположных поверхностях Dt, будет равно (рис. 2.9):

(2.27)

где l – коэффициент теплопроводности, который показывает количество теплоты, проходящее через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м² при разности температур на противоположных поверхностях 1°С.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные поры материала. Теплопроводность воздуха (l = 0,023 Вт/м °С) значительно меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала (например, l бетона равен 1,2…1,5 Вт/м °С). Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности.

На практике удобно судить о теплопроводности по средней плотности материала и его влажности (рис. 2.10). Известна также формула В.П.Некрасова, связывающая теплопроводность l со средней плотностью материала (r₀):

(2.28)

Точное значение l определяют для данного материала экспериментально.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его теплопроводность, так как теплопроводность воды [0,58 Вт/м×°С)] в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает l, так как теплопроводность льда равна 2,3 Вт/(м×°С), т.е. в 4 раза больше, чем воды. При одной и той же пористости теплопроводность материалов тем меньше, чем мельче поры, так как в крупных порах возможно движение воздуха и передача тепла конвекцией.

В таблице 2.4 приведены коэффициенты теплопроводности (l) некоторых материалов.

 

Таблица 2.4. Коэффициенты l строительных материалов

 

Материал	Плотность материала, кг/м^3	Коэффициент теплопроводности l, Вт/м×°С
Воздух	-	0,023
Вода		0,58
Кирпич	1600-1900	0,85
Гранит	2600-2800	0,85
Бетон	2000-2500	1,2…1,5
Сталь
Минеральная вата	200…400	0,06…0,09
Древесина вдоль волокон	400…700	0,34
поперек волокон	-	0,17

 

Теплоемкость – это способность материала аккумулировать теплоту при нагревании и выделять ее при остывании.

Теплоемкость (С) данного материала измеряется количеством теплоты, необходимым для нагревания этого материала на 1 °С.

Теплоемкость определяется формулой

(2.29)

где Q – количество теплоты, израсходованное на нагревание (Дж);

Т₂ – Т₁ – разность температур в конце и начале нагревания (°С).

В системе СИ теплоемкость измеряется в Дж/к.

Удельной теплоемкостью (с) материала называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°С (или 1 К). Удельная теплоемкость – это теплоемкость материала с, отнесенная к его массе (m)

(2.30)

В системе СИ удельная теплоемкость измеряется в

Наибольшую удельную теплоемкость имеет вода (4200 Дж/кг×К). Поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. У органических материалов удельная теплоемкость выше, чем у неорганических:

древесина – 2420…2750;

бетоны, кирпич, каменные материалы – 750…940;

сталь – 500.

Численные характеристики теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения теплоемкости необходимы для расчета затрат на топливо и энергию на разогрев материалов и конструкций в различных технологических процессах.