Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Теория прочности, деформативности и конгруэнции свойств

Поиск

 

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

При выборе материала и обосновании целесообразности приме­нения в строительной конструкции учитывают его способность со­противляться реальным нагрузкам без нарушения сплошности и размеров. Одни материалы успешно сопротивляются сжимающим усилиям, другие — растягивающим, которые возникают под дейст­вием нагрузки или других силовых факторов. Аналогичная сопро­тивляемость материалов характерна при воздействии сил, способ­ных вызвать изгиб, сдвиг, раскалывание и т. п. Материал должен надежно сопротивляться этим воздействующим силам при работе конструкции в эксплуатационный период.

Одновременно необходимо, чтобы материал проявлял достаточ­ную стойкость к воздействию физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе ч'ерез 0°С, водной среды и др.) и химических (кислоты, щелочи, солевые растворы и др.) факто­ров. Нередко одним из главных показателей качества служит спо­собность материала к восприятию технологической обработки, на­пример шлифования, распиливания, раскалывания на части правильной формы и т. п. Следовательно, для обоснованного выбо­ра материала приходится учитывать комплекс его так называемых свойств. Под свойствами строительных материалов понимают их способность определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или внутренние воздействия — силовые, теп­ловые, усадочные, водной или иной среды и т. д.

Свойства разделяют на четыре группы: механические, физиче­ские, химические, технологические, иногда выделяют еще физи­ко-химические. В совокупности все свойства именуют как техниче­ские свойства строительных материалов. Числовые значения свойств получают при лабораторных или полевых испытаниях ма­териалов с помощью соответствующих приборов и аппаратов. Ис­пытания производят с разрушением специально подготовленных образцов или отдельных элементов конструкции или без их разру­шения, т. е. адеструктивными методами.

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства выражают способность мате­риала сопротивляться напря­жениям силовым (от механиче­ских нагрузок), тепловым, усадочным или другим без на­рушения установившейся структуры. Чаще всего напря­жение обусловлено внутренней механической силой, а его чис­ловая величина определяется как отношение силы к единице площади. Под внутренней подразу­мевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону пло­щадки, на частицы, находящиеся по другую сторону этой площадки (рис. 3.1). Расчетом определяют нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в размерности «сила/площадь» (МПа).

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

 

 

Деформационные свойства характеризуют способность материа­ла к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимы­ми. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, или остаточные, называемые также пластическими, накапливаются в пе­риод действия этих факторов; после их снятия деформации сохраня­ются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полно­стью, называются упругими; исчезающие в течение некоторого времени — эластическими.

Деформации могут быть также сложными — упруго-пластиче­скими или упруго-вязко-пластическими, если достаточно четко вы­ражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эласти­ческая и пластическая части (рис. 3.2).

 

Рис. 3.2. Графики зависимости деформаций (ε) от времени (τ) действия нагрузок:

а — упругая деформация; б — упругоэластическая деформация; в — пластическая деформация; г — упругопластическая деформация

 

На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагруз­ки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему харак­теру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличе­ния напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется дефор­мацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползуче­стью, или крипом.

Явление ползучести выражается в непрекращающемся измене­нии размера тела (образца) под влиянием 'растягивающих или сжи­мающих силовых воздействий (напряжений ниже предела прочнос­ти) при постоянной температуре (ниже.температуры плавления). Ее обычно выражают в единицах скорости деформации, т. е. как относительное изменение размеров образца (в мм) за время (в ч): τ= (∆l/l)∙(1/ τ), где ∆l — линейное изменение образца, мм, за время τ, ч; l — начальная длина, мм.

Деформационные свойства строительных материалов, как и дру­гих тел, обусловливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внут­ренних напряжений в материале, связанных с молекулярным пере­мещением при условии, что начальная величина деформации оста­ется неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например, из упругой постепенно перейти в не­обратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время, или период, релаксации определя­ет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снизилась в е раз — основание неперовых логарифмов, равное 2,718...). Так, например, если у материала в виде образца напряжение было равно 5,0 МПа, а возникшая дефор­мация под влиянием этого напряжения была жестко зафиксирована, то время (θ с), за которое напряжение самопроизвольно снизилось до величины 5,0:2,718 = 1,85 МПа, называется временем, или перио­дом, релаксации, выражаемым в секундах или минутах. Эта величи­на — важная характеристика строительных материалов: чем она ме­ньше, тем более деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испыта­ния и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величи­ной.

При весьма малой продолжительности (τ с) действия сил (или кратковременном наблюдении) по сравнению с величиной времени релаксации (τ << 6) все материалы (тела) ведут себя как упругохруп-кие тела и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности. Однако наиболее типич­ным случаем деформации хрупких тел (материалов) является отсут­ствие структурных изменений, а упругая энергия, затрачиваемая на деформацию, не успевает рассеиваться под влиянием релаксацион­ных процессов. У упругохрупких тел возможно накопление малой упругой энергии, а за счет местных разрушений структуры происхо­дит частичная релаксация напряжений. Приближенным значением меры хрупкости служит ψ = εyпред и при ψ = 1—0,8 разрушение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

При очень длительных (τ >> 9) наблюдениях за действием нагруз­ки (по сравнению с временем релаксации) материал подобно жидко­сти течет. При очень коротких наблюдениях (по сравнению с време­нем релаксации) даже жидкий материал проявляет хрупкость твердого кристаллического тела. Так, например, при весьма корот­ком времени действия силы на воду, время релаксации которой рав­но порядка 10-11 с, она ведет себя как кристаллическое твердое тело; при весьма длительном периоде действия сил (или наблюдения) при­родный камень в виде горных пород, время релаксации которого равно 1010 с, ведет себя как текучая жидкость. Но эти крайние усло­вия не встречаются в практике строительства и эксплуатации конст­рукций зданий и сооружений, поэтому вода всегда кажется жидкой, а камень — твердым. Однако многие материалы остаются весьма чувствительными к различию между временем действия нагрузки и временем релаксации, особенно при повышенных температурах, когда процесс релаксации напряжений в некоторых материалах заметно интенсифицируется, особенно при местных (локальных) пере­напряжениях в материале.

Кроме времени релаксации, в расчетах пользуются коэффициен­том у релаксации, показывающим долю спада напряжений за опре­деленный период времени: ψ = στ0, где στ — напряжение в момент времени τ при постоянной деформации; σ0 — начальное напряже­ние.

Коэффициент релаксации позволяет расчетным путем опреде­лить релаксационную характеристику с помощью опытных значе­ний деформации ползучести, точнее —скорости ползучести, полу­чаемых менее трудоемким измерением, чем релаксации напряжений. С некоторым приближением к опытным данным можно воспользо­ваться зависимостью: ln ψ = -φ, где φ — коэффициент ползучести, равный ετ0 = Е0S; ετ — деформация ползучести в момент времени τ при постоянном напряжении σ0; ε0 — начальная упругая деформа­ция, равная σ00; Е0 — начальный модуль упругости, равный σ0/ ε0; εS — удельная деформация ползучести в момент времени τ, равная ετ0.

Прочность характеризует способность материала в определен­ных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутрен­ним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием ме­ханических, тепловых и других напряжений.

Типичными прочностными характеристиками служат предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии

сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упру­гости соответствует напряжение ма­териала при максимальной величине упругой деформации; пределу теку­чести — постоянное напряжение при нарастании пластической деформа­ции; пределу прочности — максима­льное напряжение в момент разру­шения материала (рис. 3.3). Эти характеристики прочности относят­ся к кратковременному действию приложенной нагрузки (табл. 3.1). При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала. Даже сравни­тельно малые величины напряжения (например, от собственной массы) могут вызвать ползучесть и замет­ное ухудшение структуры с потерей прочности. Нередко измеряют длительную прочность материала не только при статической (неподвижной), но и динамической нагруз­ках. Материал может резко терять свою прочность после приложе­ния к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность материала называется усталостной и определяется специальным испытанием образцов.

 


Таблица 3.1. Физико-механические свойства некоторых материалов

Наименование материала Предел прочности при сжатии, МПа Истинная плотность, кг/м3 Средняя плотность, кг/м3 Теплопро­водность, Вт/(м-°С)
Гранит 150—250 2600—2800 2500—2700 2,9-3,3
Известняк плотный 50—150 2400—2600 1800—2200 0,8—1,0
Известняк-ракушечник 0,5—5 2300—2400 900—1400 0,3—0,6
Кирпич керамический 10—20 2600—2700 1700—2000 0,8—0,9
Кирпич силикатный 10—20 2400—2550 1700—1900
Бетон тяжелый 10—60 2500—2600 1800—2500 1,1—1,6
Бетон легкий 2—15 500—1800 0,35—0,8
Древесина сосновая 30—60 1550-1600 500—600 0,15—0,2
Сталь Ст.З (при растя-жен.) 380-450 7800—7900 7800—7900 58
Пластмассы 120—200 1000—2200 100—1200 0,23—0,80
Портландцемент,,кг/см2 (марка) 300—600 3000—3200 Насыпная плотность 1200—1300

В целом упомянутые выше характеристики прочности по своей сущности относятся к условным по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени, что с некоторым приближением можно допустить только в отношении хрупких материалов. Во-вто­рых, приборы, размеры и форма образцов, скорость приложения на­грузки на прессе и другие исходные параметры методов испытания материала на прочность приняты условными. Поэтому материал может иметь различную величину показателя прочности в зависи­мости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конст­рукции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры «кубика», больше скорость приложения на­грузки (или скорости деформации), тем выше получаемая величина предела прочности при испытании на сжатие.

В упругой области деформаций действует закон Гука: σ = Е∙ε, где σ — напряжение, МПа; ε — относительная упругая деформация; Е — модуль упругости материала, МПа. Если относительная дефор­мация ε, выражающая отношение прироста деформации ∆l к перво­начальной длине образца l, т. е. ∆l /l окажется равным единице (ε = 1), то Е = σ. Отсюда следует, что модуль упругости по своему физическому смыслу численно равен напряжению, которое потребо­валось приложить к материалу (образцу), чтобы вызвать относите­льную деформацию ε = 1 (что возможно, когда приращение ∆l = l), т. е. когда было удвоение длины образца при условии сохранности упругих свойств материала. В реальных строительных материалах (кроме резины) величина упругой деформации всегда гораздо мень­ше, составляя у стали 1—1,5 %, а у хрупких она и вовсе приближает­ся к нулю.

Численные значения величины модуля упругости и прочности определяют как с разрушением образцов, например при испытании под прессом, так и неразрушающими (адеструктивными) методами. Распространены следующие адеструктивные методы их измерения: акустические, магнитные и электромагнитные, механические, ра­диометрические, рентгеновские и электрические. Они основаны на прямых и обратных закономерностях между физическими значения­ми, получаемыми при испытании неразрушающим прибором, и тра­диционными показателями свойств. Зависимости выражаются в виде формул, таблиц, тарировочных графиков. Измерения стано­вятся более эффективными при комплексном использовании адест-руктивных методов измерения с получением двух или нескольких физических характеристик.

К комплексным методам относится совместное применение механического и ультразвукового методов или радиометрическо­го и ультразвукового и других для определения предела прочнос­ти и модуля упругости, контроля качества и дефектоскопии, од­нородности по различным показателям (прочности, влажности, толщине защитного слоя и др.). Эти методы весьма эффективны при контроле за сохранением оптимальности структуры материа­лов и изделий по однородности, минимуму дефектов, плотности, континуальности пространственной сетки вяжущего вещества или жидкостной оболочки свежеизготовленного монолита, минималь­ного количества вяжущего вещества или другим обязательным ее параметрам. В частности, набору параметров оптимальной струк­туры соответствует наиболее широкий спектр частот ультразву­кового сигнала, а также наибольшая амплитудная характерис­тика.

Альтернативой условным методам определения прочности име­ются инвариантные, независимые от обстановки опыта. К инвариантным характеристикам прочности относятся предельное напряже­ние сдвига к), структурная вязкость и другие, определяемые с помощью построения реологических кривых по данным измерений на вискозиметрах, пластометрах и других приборах. Принцип дей­ствия таких приборов основан на истечении массы через капилляр заданного диаметра или на погружении в вещество металлического конуса, шара или других тел. При испытаниях осуществляется чис­тый и однородный сдвиг частиц вещества относительно друг друга в плоскостных или цилиндрических (коаксиальных) приборах (вис­козиметрах) и достаточно четко устанавливается, что прочностные характеристики существенно зависят от продолжительности дейст­вия механического усилия, являются типичными кинетическими ве­личинами.

Кроме прочности технической или реальной, определяемой с по­мощью условных или инвариантных приборов, существует проч­ность, определяемая вычислением и поэтому называемая теоретиче­ской. Простейший метод оценки теоретической прочности твердых тел был, в свое время, предложен Поляки. Так, если для разрыва стержня сечением 1 м2 потребовалось приложить напряжение сто, а атомные плоскости при этом удалились друг от друга на величину а, адекватную порядку параметра кристаллической решетки, то рабо­та выразилась как σ0∙а. При разрыве образовались две новых по­верхности площадью 2 м2, а затраченная работа перешла в свобод­ную поверхностную энергию. Последнюю можно обозначить как g и выразить в Дж/м2. Следовательно, σ0∙а = 2%. Отсюда искомая тео­ретическая прочность σ0 = 2g/а.

Существуют и другие методы определения теоретической проч­ности хрупких твердых тел, например по теплоте сублимации (переходе вещества из твердого состояния в газообразное без пре­вращения в жидкость); по методу Поляни—Орована (из сил молекулярного взаимодействия) и др. Установлено, что независимо от ме­тода вычисления результаты дают близкие значения теоретической прочности для твердых тел: σ00,1Е. Учитывая высокие значения модуля упругости (табл. 3.2), становится очевидным, что теоретиче­ская прочность твердых тел и кристаллов также очень велика. Что же касается технической (реальной) прочности, то она в 100—1000 раз, т. е. на два-три десятичных порядка, ниже теоретической проч­ности (см. табл. 3.2). Большое различие между теоретической и реа­льной прочностью материалов объясняется дефектностью микро­структуры, т. е. наличием микротрещин, пор и т. п. Чем крупнее образцы твердых тел, принятых для испытания, тем больше концен­трируется в них дефектов, а поэтому их реальная прочность ниже, т. е. действует обратная зависимость прочности от размера изделий (масштабного фактора).

Таблица 3.2. Свойства некоторых металлических и неметаллических материалов

Вещество Модуль упругости Е, 10-7 Па Теоретическая прочность σ0, 10-7 Па Техническая прочность στ, 10-7 Па Отношение σ0τ
Алюминий катаный        
Медь прокатная        
Железоуглеродистая сталь        
Стекло        
Дерево вдоль волокон        
Полистирол        

Наиболее обстоятельно метод расчета реальной (технической) прочности хрупких твердых тел исследовал Гриффите. Им предло­жена формула для расчета этой прочности материала, имеющего микротрещину:

 

(3.1)

 

где g и Е — соответственно свободная поверхностная энергия образ­ца и модуль упругости материала, l — длина поперечной микротре­щины в образце, составляющая обычно к моменту разрушения образца несколько микрон или более; β — числовой коэффициент, за­висящий от вязкости и характера материала: наличия кристалличе­ской и аморфной фаз, их количественного соотношения, дефектов в кристаллической решетке (вакансий, дислокации), микропор в амор­фной части структуры.

Следует отметить, что прочность больше, чем некоторые дру­гие свойства материала, проявляет чувствительность к явлениям и процессам формирования и изменения структуры, особенно крис­таллической. Прочность является структурно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в необходимом направле­нии путем соответствующих корректив структуры на микро- или макроуровне; уменьшения дефектов; введения добавок, например кристаллических затравок; повышения дисперсности новообразую­щихся фаз; оптимизации структуры, изменения пористости и раз­мера пор и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств ма­териалов служат твердость, истираемость, ударная вязкость. Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при испытании на склерометрах путем вдавливания стального шарика или стального конуса, царапании резцом, сверлении, ударе молотком, пулевом вы стреле и пр. Эти испытания дают условные значения твердости либо только качественные, например по следу царапания, либо также и количественные — по глубине или площади отпечатка с учетом при­ложенной нагрузки. Нередко стремятся перейти от полученного зна­чения твердости к величине прочности. Устанавливаемые отноше­ния между твердостью и прочностью тем менее точны, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, поскольку оба этих свойства обусловлены в основном сцеплением между микрочастица­ми материала.

Нередко о твердости судят также по потере массы образцов при истирании на металлических кругах с добавлением абразивных по­рошков.

Более сложным свойством, включающим прочность и твердость, служит износ. Об износостойкости материала судят по испытанию пробы определенной массы во вращающемся барабане с металличе­скими шарами или без шаров, в течение определенного периода вре­мени или определенной частоты вращения. Чем больше измельчает­ся проба, тем, следовательно, и больше ее износ (в %).

Ударная вязкость характеризует способность материала сопро­тивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется ко­личеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксирован­ном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет прак­тическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например кровельных листов и плит.


ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

Строительные материалы обладают комплексом физических свойств, т. е. способностью реагировать на воздействие физических факторов —гравитационных, тепловых, водной среды, акустиче­ских, электрических, излучения (ядерного, рентгеновского и др.). Ниже рассмотрены некоторые свойства, методы и приборы для их оценки в числовых показателях.

Средняя плотность характеризует массу единицы объема мате­риала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная фи­зическая характеристика определяется путем деления массы т об­разца на его объем уо и выражается ρ0 = m/ν 0 в г/см3, кг/м3 или кг/дм3. Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные прие­мы измерения объема образцов и неправильной формы. При влаж­ных образцах отмечается величина влажности, при которой опреде­лялась средняя плотность.

Среднюю плотность рыхлых материалов, например песка, щеб­ня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отража­ется влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзер­новых пустот в рыхлом насыпанном объеме материала.

Истинная плотность — масса единицы объема однородного ма­териала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоя­нии. Определяется как отношение массы т материала, выраженной в г или кг, к объему v его в абсолютно плотном состоянии: ρ = m/ν. Размерность истинной плотности г/см3, кг/м3.

Величина ρ, как правило, больше ρ0, так как подавляющее коли­чество материалов содержат поры, трещины, каверны.

Пористость — степень заполнения объема материала порами: определяют ее по формуле П = [(ρρ 0)100]/ ρ (в %).

Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим раз­мерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением спе­циальных методов: сорбционного, ртутной порометрии, капилляр­ного всасывания и др.

Величина пористости и размер пор в значительной мере влияют на прочность материала. При одном и том же веществе строитель­ный материал тем слабее сопротивляется механическим силам, уси­лиям другого происхождения (тепловым, усадочным и др.), чем бо­льше пор в его объеме. Для некоторых разновидностей материалов существуют ярко выраженные зависимости. Так, например, чем ме­ньше средняя плотность (больше пористость), тем меньше проч­ность материала. В самом общем виде зависимость прочности от пористости выражена формулой: Rn = R0(1—АП), где Rn и R0 -прочности соответственно пористого и беспористого материала; А — коэффициент структуры, отражающий ее пористость; П — об­щая пористость материала (вещества) в долях единицы. Наимень­шее значение коэффициента А = 1,0—1,1 соответствует оптималь­ным структурам с содержанием пор П до 0,02—0,03. Формула показывает возможность приближения значений Rn и R0 путем изме­нения структуры материала (вещества).

Известны многочисленные эмпирические формулы, полученные 13 опытных данных применительно к различным материалам, в той или иной мере воспроизводящие указанную выше зависимость Rn = f (П). Опытные данные показывают, что при увеличении порис­тости от нуля до 20 % прочность снижается почти линейно. Впрочем возможны и «аномалии», особенно среди обжиговых ИСК, когда прочность повышается с повышением пористости, например при обжиге шпинелидных огнеупоров.

От пористости зависят и другие качественные характеристики, например способность проводить теплоту и звук, поглощать воду. От пор отличаются полости в структуре, именуемые пустотами. Они значительно крупнее пор, отчетливо видны и расположены между зернами насыпного материала. В отличие от пор вода в пустотах, особенно в широкополостных, не задерживается.

На величину прочности влияют и размеры пор. Она возрастает с уменьшением размера пор. Мелкозернистые материалы и, следова­тельно, мелкопористые, имеют повышенную прочность по сравне­нию с крупнозернистыми. При этом в меньшей мере снижают проч­ность закрытые поры, а не открытые, сквозные, обычно по своей форме остроконечные. Имеет значение и местоположение пор. В крупных зернах заполнителя они для прочности менее опасны по сравнению с порами в вяжущей, матричной части конгломерата или расположенными в пограничных зонах, нередко именуемыми как структурные поры материала. Прочность зависит также от прочнос­ти связующей фазы и межфазовой адгезии.

При воздействии статических или циклических тепловых факто­ров материал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуроустойчивостью, огнестойкостью и другими теплофизическими свойствами.

Теплопроводность — способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свой­ство характеризуется теплопроводностью X, которая показывает ко­личество теплоты, проходящее через плоскую стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных по­верхностях в 1°С в течение 1 ч. Величина λ имеет размерность Вт/(м∙К) и может служить убедительной сравнительной характери­стикой при оценке теплозащитных свойств различных изотропных материалов в одномерном температурном поле. Она зависит, глав­ным образом, от пористости материала: содержащийся в порах воз­дух, особенно в замкнутых порах, является малотеплрпроводной средой. Воздух при атмосферном давлении и температуре +20°С имеет теплопроводность λ = 0,023 Вт/(м∙К), а при температуре +100°С — 0,0306 Вт/(м∙К), при 1000°С — 0,0788 Вт/(м∙К).

С повышением температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется повыше­нием кинематической энергии молекул, слагающих вещество мате­риала: λt = λ0 (1 + βt), где λt и λ0 — теплопроводность соответствен­но при температурах t и 0°С; β — температурный коэффициент, который показывает величину приращения коэффициента тепло­проводности материала при повышении температуры на 1°С; t -температура материала, °С. Эта формула справедлива только при температурах не выше t = 100°С; при более высоких значениях t ве­личину λtопределяют опытным путем.

С увлажнением теплопроводность материала возрастает, так как теплопроводность воды при 20°С равна 0,590 Вт/(м∙К), а при 100°С — 0,656 Вт/(м∙К). Если в порах вода замерзает, то теплопроводность материала еще больше увеличивается, поскольку лед имеет λ = 2,1, т. е. в 4 раза больше, чем вода. В справочной литературе приводятся значения λ различных строительных материалов в сухом состоянии при 20°С; они используются при тепловых расчетах, и для решения практических задач. В качестве примеров следует отме­тить, что гранит имеет теплопроводность 3,2—3,5, а кирпич керами­ческий 0,80—0,85; бетон тяжелый — 1,0—1,5; минеральная вата, применяемая как утеплитель, — 0,06—0,09; мипора — 0,04— 0,05 Вт/(м∙К) и т. д. Следует отметить, что упомянутые материалы являются гетерогенными системами и в их отношении удобнее для практики квалифицировать так называемую эффективную тепло­проводность. Она слагается из процессов передачи теплоты через конденсированные (твердые) фазы, поры (газы) и границы пор с твердым веществом. Эффективная теплопроводность твердых тел равна сумме этих процессов, определяемых экспериментально.

Теплоемкость характеризует способность материала аккумули­ровать теплоту при нагревании, причем с повышением теплоемко­сти больше может выделяться теплоты при охлаждении материала. Температура в комнате, например, может сохраняться устойчивой более длительный период при повышенной теплоемкости исполь­зованных материалов для пола, стен, перегородок и других частей помещения, поглощающих теплоту в период действия отопитель­ной системы. Это свойство материала оценивается с помощью так называемой удельной теплоемкости, которая показывает количест­во теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°С. Различают истинную теплоемкость при данной температуре и среднюю — в интервале температур. Удельную теплоемкость С иначе называют коэффициентом теплоемкости и численно опреде­ляют из выражения

 

(3.2)

 

где Q — количество теплоты, затраченное на нагревание материала; т — масса материала, кг; t2 – t1 — разность температур материала до и после нагревания, °С. Ее размерность Дж/(кг∙К).

Коэффициент теплоемкости воды равен 4,2∙103 Дж/(кг∙К). Стро­ительные материалы в сухом состоянии имеют более низкие значе­ния этого коэффициента, например, каменные материалы (естест­венные или искусственные) — от 0,75∙103 до 0,94∙103, лесные материалы — от 2,42∙103 до 2,75∙103 Дж/(кг∙К), сталь — 0,5∙103 Дж/(кг-К) и т. п. С увлажнением материала коэффициенты теплоемкости возрастают, вместе с тем возрастают и значения теп­лопроводности. Иногда требуется знать величину удельной объем­ной теплоемкости, например при расчете размеров печи. Под этой характеристикой понимается количество теплоты, необходимое для нагревания 1 м3 материала на 1°С.

Показатели теплопроводности и теплоемкости позволяют опре­делять величину так называемого коэффициента теплоусвоения, ха­рактеризующего способность материала воспринимать теплоту при колебаниях температуры окружающей среды. В формулу для под­счета коэффициента теплоусвоения кроме упомянутых двух тепло-физических значений входят также величины средней плотности и периода колебания температуры.

Огнестойкость характеризует способность строительных мате­риалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгора­емые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые ма­териалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например, гранит), особенно при одновремен­ном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров. Труд­носгораемые материалы под воздействием высоких температур тле­ют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. К таким материалам относятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгорае­мые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействи­ем огня или высокой температуры, причем горение или тление про­должается также после удаления источника огня. Среди них – древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкоснове­ние с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а матери­ал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорными являются шамот, ди­нас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промыш­ленных печей.

Материалы, способные длительное время выдерживать воздей­ствие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с час­тичной потерей прочности, относят к жаростойким, например, жа­ростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы и др.

Температуростойкость или термостойкость — способность вы­держивать чередование (циклы) резких тепловых изменений, неред­ко с переходом от высоких положительных к низким отрицатель­ным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и способности каждого компонента к тепловым рас­ширениям. Последняя характеризуется коэффициентом теплового расширения — линейным или объемным. Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1°С, а объемный характеризует увеличение объема 1 м3 материала при на­гревании его на 1°С. Чем меньше эти коэффициенты и выше одно­родность материала, тем выше Температуростойкость, большее ко­личество циклов резких смен температуры материал может выдержать без нарушения 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. Терми­ческое расширение является упругим, и оно полностью обратимо. В основе возможного разрушения структуры лежат явления, под влия­нием которых в материале возникают напряжения. Они возникают либо вследствие градиента температур, либо под влиянием изотро­пии



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; просмотров: 552; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.145.81.252 (0.015 с.)