Эксплуатационно-технические свойства

Эта группа свойств определяет в большей мере функциональную надежность зданий, сооружений, их долговечность, Так, большинство современных строительных материалов представляют собой капиллярно-пористые тела, поэтому одной из важнейших характеристик, влияющей на многие свойства материала, является его пористость, содержащая макро- и микропоры, открытые и замкнутые, сообщающиеся и изолированные.

пористость - это степень заполнения объема материала порами - промежутками, полостями между элементами структуры. Количество пор в материале вычисляют соотношением:

П= V_П*100/ V_О, % 1

где V_П - объем пор в материале, см³;

V_О - объем пористого материала с заключенными в него порами (общий объем материала), см³.

В зависимости от показателя пористости строительные материалы подразделяют на низкопористые (менее 30%), среднепористые (от 30 до 50%) и высокопористые (более 50%). Большое значение при эксплуатации строительных материалов и изделий имеют структурные характеристики пористости: вид и размер пор, распределение по размерам пор в объеме материала. Для определения характера пористости используют различные методы: ртутной порометрии, адсорбции жидкостей, метод молекулярных щупов, оптические измерения, механический и прочие. В зависимости от вида различают истинную, открытую (кажущуюся) и замкнутую (закрытую) пористости.

Истинная пористость - включает в себя все виды пористости и вычисляют ее по формуле:

П_И=(1-r_и/r_с)*100, %, 2

где: r_и - плотность материала в абсолютно плотном состоянии,г/см³; r_с - средняя плотность материала, г/см³.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0% - для стали, стекла и до 90% для мипоры.

Открытая пористость – это пористость доступная для проникновения воды вглубь материала и определяют ее отношением разности массы водонасыщенного и сухого материала к его общему объему и вычисляют по формуле:

П= (m^вн-m^с)*100/V_о, % 3

где: m^вн – масса материала в водонасыщенном состоянии,г; m^с – масса материала в высушенном до постоянного веса состоянии,г; V_о – общий объем материала, см³.

Открытая или кажущаяся пористость, в которой присутствуют сообщающиеся поры, увеличивает проницаемость, водопоглощение, а следовательно происходит понижение долговечности, морозо- и водостойкости материалов.

Закрытая или замкнутая пористость - система пор, недоступная для проникновения жидкостей и газов внутрь материала при атмосферном давлении, определяется вычитанием открытой пористости из истинной:

П_закр=П_и-П_откр, %. 4

Повышение закрытой пористости улучшает теплофизические свойства строительных материалов, способствует повышению долговечности.

Количественное содержание (в %) истинной, открытой и замкнутой пористости ни в коей мере не отражает какой она имеет вид – мелкие или крупные, сообщающиеся или замкнутые, т.е. не отражает ее структуру, характеристики которой учитывают при оценке таких свойств как прочность, долговечность, проницаемость и пр.

Сыпучие и рыхлые материалы (песок, щебень, цемент, шлак, заполнители, молотый мел, красящие пигменты) кроме пор имеют пустоты – воздушные полости между отдельными частицами или зернами материала. Пустотность строительных материалов вычисляют отношнием суммарного объема пустот в рыхлом материале ко всему объему, занимаемому этим материалом по формуле истинной пористости 2 и выражают в %.

Физические свойства

Материалы, имеющие одинаковый объем и состоящие из различных веществ, могут иметь и имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе строительных материалов, имеющих одинаковый объем, служит плотность - истинная и средняя.

Истинная плотность - отношение массы материала к иго в абсолютно-плотном состоянии, т.е. без учета пор, пустот и полостей:

r_и = m/V_А, г/см³; кг/м³, 5

где m - масса материала в абсолютно плотном состоянии, кг, г; V_А - абсолютный объем, м³, см³.

Истинная плотность вещества - постоянная физическая характеристика, которая не может битьизменена без изменения ого химического состава или молекулярной структуры. Плотностью, близкой к теоретической обладают металлы, жидкости, стекло, полимеры.

Средняя плотность - масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. с учетом пор, пустот, технологических дефектов и тому подобное. Определяется отношением массы материала к его объему в естественном состоянии:

r _C = m /V_О, кг/м³, г/м³, г/см³ 6

где m - масса материала, кг, г; V_О - общий объем,м³, см³.

Определение абсолютного и общего объемов строительных материалов и изделий производится согласно методик, приведенных в нормативно-технической документации (методические указания, технические условия, инструкции, проектно-сметная документация, ЕНиРы, Сны, СНиПы, ГОСТы и пр.).

Средняя плотность - важная физическая характеристика для строительных материалов, меняющаяся, зависящая от их структуры и влажности. В большей мере средняя плотность оказывает различное влияние на долговечность материалов. Характерным признаком материалов, у которых истинная плотность приближается к средней (стекло, металл), является непроницаемость для жидкостей и газов. Средняя плотность оказывает непосредственное влияние на эффективность строительства. Поэтому ее снижение при сохранении прочности и долговечности - путь к снижению материалоемкости строительства, повышению технико-экономической эффективности использования природных и искусственных материалов. Для сыпучих и зернистых материалов определяют насыпную плотность – масса единицы объема рыхлонасыпанных зернистых материалов (песок, гравий, щебень) и вычисляется по формуле 6.

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВОДЫ (ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА)

Взаимодействие воды, равно как и других жидкостей, с поверхностями твердых тел проявляется в смачивании, обусловленном силами взаимодействия твердых тел с растворами. Она вызывает растекание жидкости на поверхности и впитывание пористыми телами и порошками. Смачивают твердое тело только те жидкости, которые снижают поверхностное натяжение на границе с воздухом. Способность материала смачиваться водой называется гидрофильностъ, не смачиваться - гидрофобность. В период непосредственного контакта материала с водой его увлажнение происходит благодаря капиллярному всасыванию, диффузии и гидростатическому заполнению водой открытых пор. Свойства, связанные с взаимодействием материалов с водой и жидкостями, называются гидрофизическими.

Водопоглощение - это степень заполнения пор материала водой, характеризуется водопоглощением по массе и по объему:

W_М=(m^BH-m^C)/ m^C*100, % 7

W_V=(m^BH-m^C)/V_О*100, %, 8

r_С= W_V/ W_М, 9

где: m^BH – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; m^C - масса образца в сухом состоянии, г; V_О – общий объем образца, см³.

Водопоглощение по объему характеризует открытую пористость материала W_V=П_отк. В отличие от водопоглощения пористость материала всегда меньше 100%. Водопоглощение плотных материалов (сталь, стекло, битум) приближается к 0%. Во время насыщения водой материалы могут существенно менять механические свойства за счет образования адсорбпионно-активной среды и расклинивающего действия растворителя, растворения вещества на контактах сращивания кристаллов, набухания структуры некоторых минералов и т.п.

Влажность - содержание преимущественно конденсатной влаги в виде тонких молекулярных пленок, адсорбированных на стенках пор в материале и определяется отношением массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе (реже к объему) материала в сухом состоянии и вычисляется по формулам 7 и 8. Влажность изменяется от 0%(для абсолютно сухих материалов) до значения полного водопоглощения и зависит от пористости, гигроскопичности и других свойств материала, а также от состояния окружающей среды - относительной влажности, температуры воздуха, контакта материала с водой.

Поскольку свойства сухих и влажных материалов различны, необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению воды. Во всех случаях - при транспортирования, хранений и применении, строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Водостойкость - способность материала сохранять механические свойства в насыщенном водой состоянии (в основном прочность при сжатии) и характеризуется коэффициентом размягчения:

К_Р = R^BH/R^C, 0...1 10

где R^BH - предел прочности водонасыщенного образца, МПа;

R^C - предел прочности сухого образца, МПа.

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше либо равняется 0,75 называют водостойкими. Повышение водостойкости достигается снижением растворимости и пористости материала, его гидрофобизацией или покрытие водостойкими суспензиями.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без признаков разрушения и без значительного снижения прочности и массы. Морозостойкость - одна из основных характеристик, описывающая долговечность строительных материалов, эксплуатируемых в конструкциях и сооружениях. При смене температурно-влажностных градиентов некоторые материалы разрушаются. Вода, находясь в порах материала, при замерзания увеличивается в объеме примерно на 9...10%. Разрушение материала происходит благодаря развитию значительных внутренних напряжений в результате кристаллизационного действия замерзающей воды. Интенсивность разрушения связана с ростом водопоглощения материала через открытую пористость, а также снижением температуры окружающей среды (т.е. с увеличением объема образующегося льда в материале).

Материалы, для которых установлены стандартом испытания, состоящие из попеременного многократного замораживания при температуре не выше -17°С и оттаивания в воде при температуре +20+2°С, и у которых не появляются трещины, расслаивание, выкрошивание и которые теряют не более 25% прочности и 5% массы, считаются морозостойкими.

Критерием морозостойкости строительных материалов является коэффициент морозостойкости К_МРЗ= R^N/ R^BH - отношение предела прочности при сжатии материала после N циклов испытаний к пределу прочности при сжатии водонасыщенных образцов, не подвергшихся действию отрицательных температур, в эквивалентном возрасте. Для морозостойких материалов К_МРЗ должен быть не менее 0,75.

По морозостойкости, т.е. по числу циклов замораживания и оттаивания, материалы подразделяют на марки: F10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500. Один цикл испытаний (N) на морозостойкость равен: 4 часа замораживания водонасыщенных образцов при температуре -20+3,°С и 4 часа оттаивания в воде при температуре +20+2,°С. Существует ряд ускоренных методов определения морозостойкости. Например, один цикл ускоренного испытания также равен 8 часам: 4 часа кипячения в насыщенном растворе сернокислого натрия и 4 часа высушивания в сушильном шкафу при температуре +105°С. При высушивании в порах материала образуются кристаллы Na₂SO₄ создающие кристаллизационное давление в порах материала. Кроме этого кипячение способствует более глубокому проникновению в поры насыщенного раствора после цикла высушивания. При ускоренном испытании на морозостойкость разрушение материала происходит приблизительно в 5 раз быстрее.