Термическая стойкость, огнестойкость и огнеупорность

Термическая стойкость – это свойство материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры. Она зависит от степени однородности материала и от способности каждого компонента к тепловому расширению, что оценивается температурным коэффициентом линейного расширения.

Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С. Чем меньше величина этого коэффициента и выше однородность материала, тем выше температуростойкость, большее количество циклов резких смен температуры материал способен выдержать без нарушения своей сплошности.

Для цементного бетона линейный коэффициент теплового расширения равен (10-14)·10^-6, для древесины вдоль волокон (3-5)·10^-6, для стали (11-12)·10^-6. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50 °С относительная температурная деформация достигает 0,5-1 мм на 1 пог. м. Термическое расширение является упругим, и оно полностью обратимо. В основе возможного разрушения структуры лежат явления, под влиянием которых в материале возникают напряжения. Их возникновение связано либо с наличием градиента температур, либо с влиянием изотропии коэффициента теплового линейного расширения. В обоих случаях возникновению и развитию внутренних напряжений в материале благоприятствует отсутствие условий для свободного изменения объема элементов конструкции.

Термическая стойкость материала тем выше, чем меньше коэффициент его температурного расширения. Природные каменные материалы из мономинеральных горных пород (например, мрамор) более терморстойки, чем породы, сложенные из нескольких минералов (например, гранит).

Огнестойкость – это способность материала не гореть. По степени огнестойкости – способности противостоять действию высоких температур, развивающихся в условиях пожара (до 1000 °С) материалы могут быть:

- несгораемые (бетон, кирпич при пожаре деформируется незначительно, гранит растрескивается, сталь значительно деформируется при температуре, начиная с 600 °С;

- трудносгораемые (тлеют, но не горят: асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина, фибролит);

- сгораемые (дерево, пластмассы), которые необходимо защищать от возгорания, применять антипирены.

Огнеупорность – способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Огнеупорность материала характеризуется температурой, при которой образец стандартных форм и размеров при нагревании в печи по заданному режиму размягчается и, оседая, коснется своей вершиной подставки, на которой он стоит. Материалы с огнеупорностью более 1580 °С называются огнеупорными (динасовые, шамотные, хромомагнезитовые и др.). Огнеупорность шамотных материалов составляет 1610-1730 °С, динасовых – 1700 °С и хромомагнезитовых (обожженных) – не ниже 2000 °С.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Акустические свойства материалов – свойство материалов поглощать или проводить звук сквозь свою толщу. Знание этих свойств востребовано при проектировании промышленно-гражданских зданий, залов театров, кинотеатров, звукоограждающих конструкций на участках улиц и загородных автомобильных дорог.

При попадании звуковой волны на ограждающую поверхность, звуковая энергия отражается, поглощается и частично проходит сквозь ограждение.

Звукоотражение. Отражение звуковой волны от поверхности материала зависит от ее состояния (гладкая, шероховатая) и пористости самого материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающей звуковой волны.

Звукопоглощение. Если поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом и не отражаются.

Физика «гашения» звука пористым телом состоит в следующем. Звуковые волны, проникая в поры материала, создают колебания содержащегося в них воздуха, при этом значительная часть звуковой энергии растрачивается. Сжатие воздуха в порах и его трение об их стенки вызывает разогрев. Таким образом, кинетическая энергия звуковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеивается в среде.

Значительному гашению звука способствует деформирование пористого скелета звукопоглощающего материала. Этот вклад в звукопоглощение особенно заметен в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористостью при ее общем объеме не менее 75 %.

Характеристикой поглощения звуковой энергии является коэффициент звукопоглощения К_погл:

(2.31)

где Е_погл – количество поглощенной звуковой энергии;

Е_пад – количество падающей на ограждение звуковой энергии.

Звукопроводность. Звукоограждающая конструкция тем меньше проводит звук, чем больше его толщина и масса: энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь нее.

Качество звукоизоляционных ограждений оценивают с помощью коэффициента звукопроводности К_пров.

(2.32)

где Е_прош. – количество звуковой энергии, прошедшей через материал ограждения;

Е_пад – количество падающей на ограждение звуковой энергии.

 

Создание качественных звукоограждающих конструкций основано на двух физических явлениях: отражении звуковых волн от поверхности ограждения и поглощении звуковых волн материалом ограждения.

В качестве звукоизоляционных материалов применяют стекловату, древесные волокна, засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.), иногда используют штучные активные звукопоглотители: пластины, цилиндры и т.п.

Плиты (или рулоны) из звукопоглощающих материалов покрывают снаружи гидрофобной стеклотканью.

Эффективны также звукопоглощающие газонаполненные пластмассы (пенополиуретан, пенополивинилхлорид и др.) или штучные плитки из губчатой резины.

Химические свойства

 

Химические свойства материалов характеризуют способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды, а также способность сохранять постоянство состава и структуру материала в эксплуатационный период.

Некоторые материалы склонны к самопроизвольным химическим изменениям даже в условиях инертной внешней среды, что объясняется неустановившимся равновесием внутренних химических связей. Химические превращения протекают также во время технологических процессов производства и применения материалов.

Большинство строительных материалов проявляет активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, агрессивными газами и другими средами.

Постепенное или быстрое изменение структуры и ее разрушение под влиянием агрессивных химических и электрохимических процессов в материале называют коррозией.

К основным химическим свойствам материалов относятся: растворимость, кристаллизация, коррозионная стойкость, атмосферостойкость.

Растворимость – способность вещества в смеси с одним или несколькими другими веществами образовывать однородные устойчивые системы – растворы (например, раствор солей в воде). В растворах все компоненты находятся в микродисперсном состоянии: они равномерно распределены в объеме в виде отдельных молекул, атомов, ионов. Растворимость материала изменяется в зависимости от температуры и состава растворяемых компонентов.

Мерой растворимости является концентрация раствора при данной температуре и давлении. Растворение одного компонента в другом происходит в некоторых пределах изменения концентраций. По концентрации растворимого вещества растворы подразделяются на насыщенные, перенасыщенные и ненасыщенные. Различные материалы обладают разной растворимостью. Так, например, растворимость двуводного гипса (CaSO₄·2H₂O) составляет 2 г/л, а гидросиликата кальция (CaO·SiO₂·nH₂O) всего лишь 0,07 г/л.

Стойкость бетонных конструкций, находящихся в воде (например, гидротехнических сооружений), зависит от растворимости компонентов цементного камня.

Кристаллизация – процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов, т.е. переход из одного состояния (в основном, газообразного, жидкого) в другое – твердое.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости, ее перенасыщения другим химическим веществом, иногда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов – центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или парообразной смеси. В процессе кристаллизации неизбежно возникают микродефекты в образующейся структуре. Кристаллизация по-разному влияет на прочность образующихся структур материала. Например, кристаллизация затворенного водой цемента обеспечивает рост прочности образующегося цементного камня. Кристаллизация воды, замерзающей в капиллярах цементного камня, вызывает разрушение его структуры.

Коррозионная (химическая) стойкость – свойство материала сопротивляться коррозионному воздействию химически активной жидкости, газообразной среды или физических воздействий в виде облучения, электромагнитных полей.

При воздействии указанных факторов в структуре материала происходят необратимые изменения, что вызывает снижение его прочности и преждевременное разрушение конструкции.

Снижение коррозионной стойкости вяжущих материалов (цемент, известь, гипс) зависит не только от их состава и структуры, но и от тонкости измельчения, т.е. их удельной поверхности.

Удельная поверхность – суммарная поверхность всех частиц единицы массы порошкообразного материала (см²/г). Удельная поверхность тонкоизмельченных материалов достигает больших значений (например, для портландцемента она составляет 2500…3000 см²/г). Чем больше удельная поверхность, тем быстрее частицы цемента взаимодействуют с водой и соответственно быстрее твердеет цемент.

Основными агрессивными факторами, вызывающими коррозию строительных материалов являются: пресная и минерализованная вода, растворенные в воде газы (CO₂, NO₂, SO₂, SO₃) – от промышленных предприятий и автомобилей (на дорогах). На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные реагенты: растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы.

Металлы и сплавы подвергаются коррозии под действием сред, не проводящих электрический ток, например, некоторых газов при высокой температуре; веществ, содержащих органические кислоты. Такую коррозию металлов называют химической.

Чаще металлы (в том числе стальная арматура железобетонных конструкций) корродируют в средах, проводящих электрический ток – водных растворах солей, кислот, щелочей. В этом случае возникает электрохимическая коррозия.

Особым видом коррозии является биокоррозия – разрушение материалов под действием живых организмов (грибов, микробов). Биокоррозия – это не только гниение органических материалов (например, древесины), но и разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности поселившихся на них микроорганизмов.

Атмосферостойкость. Способность органических вяжущих (битумов, дегтей, смол) и материалов на их основе (например, пластмасс, мастик, асфальтобетона, гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов) не разрушаться под действием атмосферных факторов внешней среды: температуры и влажности воздуха, солнечной радиации, осадков, различных газов.

Изменение структуры и химического состава органических материалов под воздействием атмосферных факторов называется старением. При этом уменьшается пластичность материалов, увеличивается их хрупкость.

Комплексной (универсальной) характеристикой способности материалов сопротивляться одновременному или поочередному (в разной последовательности) воздействию механических, физических и химических факторов является их долговечность при работе в конструкции.

Долговечность – свойство материала конструкции сохранять свою структуру и свойства в течение нормативного времени работы этой конструкции. Долговечность характеризуется сроком службы конструкции.

О долговечности материалов судят по ухудшению их качества до определенного уровня (критического предела).

Технологические свойства

Технологические свойства выражают способность материала к восприятию технологических операций (переделов), выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и др. Эти свойства определяются числовыми значениями или визуальным осмотром с оценкой способности материала к формуемости (жесткие, пластичные и литые смеси), раскалываемости, шлифуемости, полируемости, дробимости, гвоздимости (удерживанию гвоздя при силовых воздействиях) и другим показателям технологических качеств. Для оценки этих специфических свойств разработаны и, как правило, стандартизированы методы и приборы, обусловлены определенные температурные параметры и режимы для испытаний, скорости нагружения образцов и т.п.

Оценка свойств материалов производится на основе нормативных документов с использованием определенных оценочных критериев, связанных с математической обработкой результатов испытаний.

К таким наиболее распространенным критериям относятся: среднее арифметическое значение, среднее квадратичное отклонение и коэффициент вариации.