Как найти истинную плотность через пористость

Истинная
плотность
численно равна массе единицы объема
мате­риала в абсолютно плотном
состоянии без пор, пустот и трещин.
Следова­тельно, истинная плотность
– это плотность вещества, из которого
состоит материал. Для материалов и
изделий, имеющих одинаковый вещественный
состав, истинная плотность одинакова
(кирпич, керамзит).

Для
определения этого показателя используют
предварительно вы­сушенную и
измельченную пробу материала. Чем больше
степень измель­чения, тем плотнее
расположение частиц в объеме и,
следовательно, меньше погрешность
опыта.

Навеску
порошкообразного материала 30 г с помощью
воронки пе­реносят в пикнометр
вместимостью 100 см. Порошок заливают
водой примерно на 1,5 см выше уровня
материала и ставят пикнометр на водя­ную
или песчаную баню в наклонном положении.
Для удаления пузырьков воздуха и
уплотнения порошка смесь кипятят 15 –
20 мин. После этого колбу охлаждают до
комнатной температуры, доливают водой
до метки (по нижнему мениску) и взвешивают
с точностью до 0,1 г. Затем содержи­мое
выливают, пикнометр ополаскивают и,
заполнив водой до метки, взвешивают.

Истинную
плотность ρ, г/см , рассчитывают по
формуле

ρ
=
m
ρв
/
m
+
m1
– m2
(6)

где
m
–
масса навески порошка, г; ρ_в
– плотность воды, принимаемая рав­ной
1 г/см³;
mj
– масса пикнометра с водой, г;
m₂
– масса пикнометра с на­веской порошка
и водой, г.

3 Определение пористости

Пористость
– один из важнейших показателей структуры
любого материала. Общая пористость
материала состоит из объема замкнутых
пор, изолированных от внешней среды, и
открытых (капиллярных), доступных
проникновению воды, газов. В зависимости
от характера пор эксплутацинные свойства
материалов – морозостойкость,
теплопровод-
ность,
звуко­поглощение, водонепроницаемость,
коррозионная стойкость различны. При
одинаковой общей пористости свойства
материалов будут зависеть от объема
открытых пор.

Пористость
П, %,
зависит от плотности вещества, из
которо­го состоит материал – ρ, его
плотности в естественном состоянии –
ρ_о,
и рассчитывается по формуле

П
= (1 – ρо
/
ρ) · 100 (7)

где
ρо
– средняя плотность, г/см³;
ρ – истинная плотность, г/см³.

Полученные
значения сравнивают с данными таблицы
3.

Таблица
3 – Общая
пористость и пустотность строительных
материалов

Показатель	Материал
бетон тяжелый	стекло	сталь	гра­нит	кирпич керамиче-ский	гравий керамзи- товый	щебень плотный	песок кварцевый
Общая пористость	5 – 15	0	0	2 – 3	25 – 35	70 – 72	3 – 4	–
Пустотность						40 – 45	35 – 50	25 – 40

Контрольные
вопросы для защиты выполненной
лабораторной работы

1
Какие экспериментальные данные надо
иметь, чтобы рассчитать истинную
плотность материала?

2
От чего зависит истинная плотность
материала?

3
Какие экспериментальные данные надо
иметь, чтобы рассчитать среднюю плотность
материала?

4
Как рассчитать среднюю плотность образца
правильной и неправильной формы?

5
От чего
зависит средняя плотность материала?

6
Истинная
и средняя плотность материала. Что в
этих показателях общее и что разное?

7
Что такое
насыпная плотность? Как определить этот
показатель?

8
С какой
целью определяют пустотность рыхлозернистых
мате­риалов?

9
Какое
влияние оказывают открытая и замкнутая
пористость на морозостойкость материала?

Перечень
ГОСТов и СТБ, используемых при выполнении
лабораторной работы

1
СТБ 4.201-79. Система показателей качества
продукции. Строительство. Материалы и
изделия теплоизоляционные. Номенклатура
показателей.

2
СТБ 4.211-80. Система показателей качества
продукции. Строительство. Материалы
строительные нерудные и заполнители
для бетона пористые. Номенклатура
показателей.

Лабораторная
работа № 2. Определение водопоглощения
и прочности материалов

Вопросы
допуска к выполнению лабораторной
работы

1
Что такое водопоглощение?

2
От чего зависит водопоглощение?

3
От чего зависит прочность?

4
Как определяют марку прочности материала?

Цель
работы:

Учащийся
должен
приобрести:

1
Навыки:

• определения
  основных физических свойств строительных
  мате­риалов;

• работы
  с используемыми приборами и оборудованием;

• обработки
  результатов испытаний.

2
Умения:

• устанавливать
  общую зависимость между характеристиками;

• физических
  свойств материалов;

• анализировать
  полученные результаты, оценивать
  влияние струк­туры исследуемых
  материалов на их эксплутационные
  свойства;

• делать
  выводы о рациональном применении
  материалов;

• Полученные
  данные заносят в таблицу 1.

Таблица
1 – Физико-механические свойства
материалов

Наименование показателей	Единица Измерения	Материал
Кирпич керамический	Пеносиликат
Водопоглощение по массе	%
Предел прочности	МПа

Используемые
приборы и оборудование:

1
Лабораторные
и настольные циферблатные весы.

2
Емкость
для кипячения образцов.

3
Баня
песчаная или водяная.

4
Шкаф
сушильный.

5
Гидравлический пресс.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Истинная плотность  (прежнее название – удельный вес) – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Определяют по формуле ? = m / V, где m – масса материала, кг; V – абсолютный объем, занимаемый материалом (без пор и пустот), м³. Истинная плотность жидкостей и материалов, полученных из расплавленных масс (металла, стекла, а также гранита, мрамора и других подобных горных пород), практически соответствует их плотности в естественном состоянии, а пористых материалов – приводится к абсолютно плотному состоянию искусственным путем.

Истинная плотность – свойство, которое контролируются только при геологической разведке с подземными сетями.

Для горных пород, служащих сырьем при производстве облицовочных материалов, не имеет решающего значения при их оценке. Однако этот показатель позволяет косвенно выявить другие свойства камня, например вычислить его пористость.

Для определения истинной плотности камня его необходимо получить в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор. Простейший способ заключается в измельчении камня до такой степени, пока каждая его частица не будет иметь внутри себя пор. С этой целью вначале отбирают куски горной породы общей массой не менее 1 кг, тщательно очищают их щеткой от пыли и затем измельчают до крупности менее 5 мм, после чего перемешивают и сокращают пробу примерно до 150 г. Полученную пробу вновь измельчают до крупности менее 1,25 мм, перемешивают и сокращают до 30 г. Оставшуюся пробу вновь измельчают в порошок в фарфоровой ступке, насыпают в стаканчик для взвешивания, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры, после чего отвешивают две навески по 10 г каждая. Каждую навеску насыпают в пикнометр (пикнос – плотный, метрео – измеряю, дословно с греческого «измеритель плотности») и заливают дистиллированной водой, заполняя пикнометр не более чем на половину объема. Затем его ставят на песчаную ванну или в водяную баню и кипятят содержимое в течение 15—20 мин для удаления пузырьков воздуха. После этого пикнометр обтирают насухо, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают на лабораторных весах. Далее прибор освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и вновь взвешивают.

Истинную плотность р, кг/м³, вычисляют по формуле

? = m?_В / (m + m₁ – m₂) · 1000,

где m – навеска порошка, высушенного до постоянной массы, г; m₁ – масса пикнометра с дистиллированной водой, г; m₂— то же, с навеской и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г; р„ – истинная плотность воды: р_в = 1 г/см³.

Средняя плотность ? (прежнее название – объемная масса) – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Определяется по формуле ? = m / V₁, где m – масса материала, кг; V₁ – объем материала в естественном состоянии, м³. Средняя плотность металла и стекла практически равна их истинной плотности, у большинства строительных материалов она, как правило, меньше (из-за наличия пор).

Для каждого материала стандарты устанавливают значение влажности, при котором вычисляют среднюю плотность, необходимую для расчета пористости, теплопроводности и теплоемкости материалов, определения стоимости их перевозок и расчета прочности конструкций с учетом их собственной массы.

Истинная и средняя плотности широко используемых материалов показаны в табл. 1.

Средняя плотность – физическое свойство облицовочного камня, используемое обычно при его общей характеристике. Этим показателем пользуются при вычислении массы изделий из камня по их объему или при определении объема, когда известна масса изделий. Кроме того, используя среднюю плотность, определяют пористость камня и некоторые другие показатели. Особенно важное значение имеет это свойство для горных пород, используемых при производстве стеновых материалов, где значение этого показателя не должно превышать 2100 кг/м³.

Для определения средней плотности берут пять образцов кубической формы с размером ребра 40—50 мм или цилиндры диаметром и высотой 40—50 мм. Каждый образец очищают щеткой от рыхлых частиц и высушивают до постоянной массы, после чего взвешивают на настольных (гирных) или циферблатных весах. Затем измеряют размеры кубов или цилиндров камня и вычисляют объемы образцов.

Среднюю плотность каждого образца вычисляют по формуле, приведенной в § 2. Средняя плотность горной породы будет средним арифметическим результатом определения этой характеристики для пяти образцов. Значения средней плотности у наиболее распространенных видов облицовочного камня СНГ даны в приложении.

Среднюю плотность сыпучих (рыхлых) материалов (цемента, извести, песка, гравия, щебня) называют насыпной средней плотностью (прежнее название – насыпная объемная масса). В объем сыпучих материалов включают не только объем пор в самом материале, но и пустот между зернами или кусками материала.

Таблица 1. Плотность материалов в воздушно-сухом состоянии

Материалы	Значение плотности, кг/м3	Материалы	Значение плотности, кг/м3
истинной	средней	истинной	средней
Свинец	11300—11400	11300—11400	Известняк плотный	2400—2600	2100—2400
Медь	8300—8900	8300—8900	Песок кварцевый	2600—2700	,1400—1900
Сталь	7800—7900	7800—7850	Стекло строительное	3000	2500—3000
Чугун	7800	6900—7400	Цемент	3000—3100	800—1300
Алюминиевые сплавы	2800	2700—2800	Бетон тяжелый	2600—2900	1800—2500
Раствор строитель ный	2500—2900	1300—2200
Базальт	3300	2700—3200
Габбро	3200	2800—3200	Гравий	2600—2800	1400—1600
Мрамор	3000	2700—2800	Кирпич глиняный	2500—2800	1600—1900
Гранит	2600—2900	2600—2700	Минеральная вата	2800	75—400
Туф	2200—2800	1000—2200	Сосна	1600	500—600
Ракушечник	2650—2750	1400—2200

Примечание. Для сыпучих (рыхлых) материалов: песка, цемента, гравия приведена насыпная средняя плотность.

Плотность материала является нужной характеристикой при расчете прочности сооружения с учетом собственной массы, для определения способа и стоимости перевозки материала, для расчета складов и подъемно-транспортного оборудования. По величине плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов (известняков) — между прочностью и плотностью.

Истинная плотность — величина, определяемая отношением массы однородного материала m(кг) к занимаемому им объему в абсолютно плотном состоянии V_a(м³), т. е. без пор и пустот:

Размерность истинной плотности — кг/м или г/см

Истинная плотность каждого материала — постоянная физи­ческая характеристика, которая не может быть изменена без из­менения его химического состава или молекулярной структуры.

Так, истинная плотность неорганических материалов, природ­ных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, составляет 2400…3100 кг/м³, органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, — 800… 1400, древесины, состоящей в ос­новном из целлюлозы, — 1550 кг/м³. Истинная плотность метал-лов колеблется в широком диапазоне: алюминия — 2700 кг/м , стали — 7850, свинца — 11300 кг/м³.

В строительных конструкциях материал находится в естест­венном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно включает в себя и поры. В этом случае для характеристики фи­зического состояния материала используется понятие средней плотности.

Средняя плотность— величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в естественном состоянии V_e (м ):

Так как V_e > V_a(равенство только в абсолютно плотных мате­риалах, не содержащих пор, — стали, стекле, воде), то всегда вы­полняется и соотношение

Большинство строительных материалов имеют поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и др.) истинная и средняя плотности практически равны, так как объем внутренних пор у них ничтожно мал.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и описан ранее.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. По величине они могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Более крупные поры, например между зернами сыпучих материалов, или полости, имеющиеся, в некоторых изделиях (пустотелый кирпич, панели из железобетона), называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом или водой; в пустотах, особенно в широкополостных, вода не может задерживаться и вытекает.

Пористость стройматериалов — степень заполнения объема материала порами. Пористость — величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчиты­вают по формуле

Она колеблется в широких пределах: от 0,2…0,8 %—  у гранита и мрамора до 75…85 % у теплоизоляционного кирпича и у ячеистого бетона и свыше 90 % —У пенопластов и минеральной ваты.

  Значения средней и истинной плотности и пористости некоторых строительных материалов

Материал	Плотность, кг/м	Пористость. %
	средняя	истинная
Гранит	2600…2700	2700…2800	0…2
Тяжелый бетон	2200…2500	2600…2700	2…25
Кирпич	1400…1800	2500…2600	25…35
Древесина	400…800	1500…1550	45…70
Пенопласт	15…100	950… 1200	90…98

Пористость материала характеризуют не только с количест­венной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и откры­тые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2…5 мм). По харак­теру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся ка­пилляры) активно поглощает воду.

Величина пористости в значительной мере влияет на проч­ность материала. Строительный материал тем слабее сопротив­ляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные пока­зывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно.

Величина прочности также зависит от размеров пор. Она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых мате­риалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень) рассчитывают насыпную плотность.

Насыпная плотность — величина, определяемая отношени­ем массы материала т (кг) к занимаемому им объему в рыхлом состоянии V_n(м ):

Величина V_nвключает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами, называемых пустотами. Если для зернистого материала известны насыпная плотность и средняя плотность зерен , то можно рассчитать его пустотность а — относительную характеристику, выражае­мую в долях единицы или в процентах:

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры — сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.

Сведения о пористости материала позволяют определять целесообразные области его применения.

Среди физических процессов наибольшее значение в практике имеют воздействия водной и паровой среды, тепловые воздействия, распространение звуковых волн, электротока, ядерных излучений и т. п. Отношение материала к статическому или циклическому воздействию воды или пара характеризуется гидрофизическими свойствами (гигроскопичность, капиллярное всасывание, во-допоглощение, водостойкость, водопроницаемость, паропроницаемость, влажностные деформации, морозостойкость).

Влажностные деформации — изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при его высыхании называют усадкой (усушкой), а увеличение размеров и объема при увлажнении вплоть до полного насыщения материала водой — набуханием (разбуханием). Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина поперек волокон 30… 100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м; кирпич керамический 0,03…0,1 мм/м; тяжелый бетон 0,3…0,7 мм/м; гранит 0,02…0,06 мм/м).

Водопоглощение — способность пористого материала впитывать и удерживать в порах капельножидкую влагу. Разли­чают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.

Водопоглощение по массе W_м равно отношению массы воды т_вн полностью насыщающей материал, к массе сухого материала т

W_м= (т_вн/m)*100

Водопоглощение по объему W_вн %, характеризует степень за­полнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощение как отношение объема воды V_вн при полном насыщении материала к его объему V_e

Водопоглощение по объему можно вычислить при известных значениях водопоглощения по массе и средней плотности мате-риала, используя формулу

Водопоглощение материалов, зависящее от характера порис­тости, может изменяться в широких пределах. Значения W_Mсо­ставляют для гранита 0,02…0,7 %, тяжелого бетона — 2…4, кир­пича 8…20, легких теплоизоляционных материалов с открытой пористостью — 100 % и более. Водопоглощение по объему W_oне превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

Величины W_oи W_мхарактеризуют предельный случай, когда материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных конструкциях материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельно­жидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных паров из воздуха. В этом случае состояние материала ха­рактеризуют влажностью.

Влажность — отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале m_в, к массе (реже — к объему) материала в сухом состоянии т_с

W=(m_в/m)* 100.

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины W_M, соответствующей максимальному водосодержанию. Увлажнение приводит к изменению многих свойств ма­териала: повышается масса строительной конструкции, возрас­тает теплопроводность; под влиянием расклинивающего дейст­вия воды уменьшается прочность материала.

Для многих строительных материалов влажность нормирова­на. Так, влажность молотого мела — 2 %, стеновых материалов -5…7, воздушно-сухой древесины- 12…18 %.

Водостойкость — свойство материала сохранять прочность при насыщении его водой. Критерием водостойкости строитель­ных материалов служит коэффициент размягчения — отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, R_Bк прочности при сжатии сухого материала R_c

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называют водостойкими.

Водонепроницаемость— свойство материала сопротивляться проникновению в него воды под давлением. Это свойство осо­бенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой по W (W-2…W-8), обозначающей максимальное односто­роннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материа­лов водонепроницаемость характеризуется временем, по истече­нии которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол).

Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность вызывается сорбцией, представляющей собой физико-химический процесс поглощения водяных паров из воздуха как в результате их адсорбции на внутренней поверхности материала, так и капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация возможна только в капиллярах с малым радиусом (менее 10~7 м), так как разность давлений насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью мениска и плоской поверхностью в капиллярах с большим радиусом несущественна.

Гигроскопичность зависит как от свойств материала — величины и характера пористости, так и от условий внешней среды—температуры и относительной влажности, а для сыпучих материалов также от их растворимости в воде и дисперсности и снижением температуры воздуха. Этот процесс носит обратимый характер. Гигроскопичность характеризуется величиной отношения массы поглощенной материалом влаги, при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 °С, к массе сухого материала, выраженной в процентах.

Капиллярное всасывание (подъем) воды пористым материалом происходит по капиллярным порам, когда часть конструкции соприкасается с водой. Например, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Капиллярными называют поры с такими условными радиусами, при которых их капиллярный потенциал (потенциальная энергия поля капиллярных сил, отнесенных к единице массы жидкости) значительно больше потенциала поля тяжести.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Более точно, учитывая неправильную форму пор в материале и их изменяющееся поперечное сечение, высоту всасывания воды определяют экспериментально по методу «меченых атомов» либо по измерению электропроводности материала.

Для оперативного контроля влажности преимущественно сыпучих материалов (например, заполнителей для бетона — песка, щебня) применяют диэлькометрический и нейтронный методы. Диэлькометрический метод измерения основан на зависимости между влажностью и диэлектрической проницаемостью материала. В нейтронном методе используется связь влажности и степени замедления быстрых нейтронов, проходящих через материал.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свойства: увеличивается плотность и теплопроводность, происходят некоторые структурные изменения в материале, вызывающие появление в нем внутренних напряжений, что, как правило, приводит к снижению прочности материала.

Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.

Многократное гигроскопическое увлажнение и высушивание вызывает в материале знакопеременные напряжения и со временем приводит к потере им несущей способности.

Влагоотдача — свойство, характеризующее скорость высыхания материала, при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдача обычно характеризуется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после строительства, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим (воздушно-влажным) состоянием.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м² поверхности материала при заданном давлении воды. Для определения водопроницаемости используют различные устройства, позволяющие создавать нужное одностороннее давление воды на поверхность материала. Методика определения зависит от назначения и разновидности материала. Водопроницаем мость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше его водопроницаемость.

При выборе стройматериалов для специальных целей (кровельные материалы, бетоны для гидротехнических сооружений, трубы и др.) чаще оценивают не водопроницаемость, а водонепроницаемость, характеризуемую периодом времени, по истечении которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец испытуемого материала (кровельные материалы), или предельной величиной давления воды (Па), при котором вода не проходит через образец (например, бетон).

Паропроницаемость и газопроницаемость — способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, численно равным количеству водяного пара, проникающего через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, и разностью парциальных давлений пара в 133,3 Па. Аналогичным коэффициентом оценивается и газопроницаемость (воздухопроницаемость). Эти характеристики определяются для комплексной оценки физических свойств строительного материала или при его специальном назначении. Материалы для стен жилых зданий должны обладать определенной проницаемостью (стена должна «дышать»), т. е. через наружные стены происходит естественная вентиляция. Наоборот, стены и покрытия влажных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения в них водяного пара, особенно зимой, когда содержание пара внутри помещения значительно больше, чем снаружи, и пар, проникая в холодную зону ограждения, конденсируется, резко повышает влажность в этих местах. В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость (емкости для хранения газов и др.).

Морозостойкость — свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9% (плотность воды равна 1, а льда — 0,917). При этом давление на стенки пор может достигать при некоторых условиях сотен МПа.

Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Однако у многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.

При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80 % объема пор. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при —15, —17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Выбор температуры замораживания не выше —15, —17 СС вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в СНиПах и ГОСТах на материалы.

Марка по моро­зостойкости (F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300 для каменных материалов) характеризуется числом циклов за­мораживания и оттаивания, которое выдержал материал, при допустимом снижении прочности или уменьшении массы об­разцов.

Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренный метод, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при ее высыхании в порах образцов воспроизводит механическое    действие   замерзающей   воды, но в более сильной степени, так как образующиеся кристаллы крупнее (значительное увеличение объема). Один цикл таких испытаний приравнивается 5…10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. С некоторым приближением о морозостойкости можно косвенно судить по величине коэффициента размягчения. Большое понижение прочности вследствие размягчения материала (больше 10 %) указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на морозостойкости материала.

Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию характеризуется его теплопроводностью, теплоемкостью, термической стойкостью, огнестойкостью, огнеупорностью.

Теплопроводность — сp align=»JUSTIFY»/td/spanвойство стройматериала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность К [Вт/(м*°С)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 °С.

Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, приме­няемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, по­крытий и перекрытий), и материалов, предназначенных для теп­ловой изоляции. Теплопроводность материала зависит от его строения, химического состава, пористости и характера пор, а также влажности и температуры, при которой происходит пе­редача теплоты.

Теплопроводность характеризуют коэффициентом тепло­проводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж способен пропустить материал через 1 м² поверхности при тол­щине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях 1 °С в течение 1 ч. Коэффициент теплопроводно­сти, Вт/(м *°С), равен: для воздуха — 0,023; для воды — 0,59; для льда — 2,3; для керамического кирпича — 0,82. Воздушные поры в материале резко снижают его теплопроводность, а увлажнение водой сильно повышает ее, так как коэффициент теплопровод­ности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.

С ростом температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется по­вышением кинетической энергии молекул, слагающих вещество материала, и определяется по формуле

где и — теплопроводность соответственно при температурах t и 0 °С; — температурный коэффициент, показывающий вели­чину приращения коэффициента теплопроводности материала при повышении температуры на 1 °С; t — температура материала, °С.

Теплоемкость — свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Материалы с, высокой теплоемкостью могут выделять больше теплоты при последующем охлаждении. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, пола, перегородок и других частей помещений температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время. Теплоемкость оценивают коэффициентом теплоемкости (удельной теплоемкостью), т. е. количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 °С.

Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью [4,2 кДж/(кг*°С)]. Например, коэффициент теплоемкости лесных материалов 2,39…2,72 кДж/(кг*°С), природных и искусственных каменных материалов — 0,75…0,92 кДж/(кг*°С), стали — 0,48 кДж/(кг*°С). Поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.

Коэффициент теплоемкости материалов используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций (стен, перекрытий), подогрева материала при зимних работах (бетонных, каменных и т. д.), а также при расчете печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя удельную объемную теплоемкость, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 м³ материала на 1 °С.

Термическая стойкость — способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений. Это свойство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент линейного температурного расширения характеризует удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, коэффициент объемного расширения характеризует увеличение объема 1 м³ материала при нагревании его на 1 °С.

Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше и его термическая стойкость, т. е. большое количество циклов резких смен температуры он может выдержать. Так, каменные материалы из мономинеральных горных пород (мрамор) более термостойки, чем породы, сложенные из нескольких минералов (например, гранит). При жестком соединении материалов с различными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и, как результат, — коробление и растрескивание материала. Во избежание этого конструкции большой протяженности разрезают деформационными швами.

Огнестойкость— свойство материала выдерживать без раз­рушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери прочности. По огнестойкости различают материалы несгорае­мые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию — кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы — мрамор, стекло, асбестоцемент — при резком нагревании разру­шаются, а стальные конструкции сильно деформируются и те­ряют прочность.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или вы­сокой температуры медленно воспламеняются, но после удале­ния источника огня их тление или горение прекращается. К та­ким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитан­ная антипиренами древесина.

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источ­ника огня. Это — древесина, обои, битуминозные кровельные и полимерные материалы и др.

Предел огнестойкости — это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают поте­рю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возник­новение в ней сквозных трещин, через которые на противопо­ложную поверхность могут проникать продукты горения и пла­мя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной действию огня, который может вызвать самопроизвольное воз­горание других частей сооружения.

Огнеупорность— свойство материала выдерживать длитель­ное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и не размягчаясь. Огнеупорные материалы (ди­нас, шамот, хромомагнезит, корунд), применяемые для внутрен­ней футеровки промышленных печей, не деформируются и не размягчаются при температуре 1580 °С и выше. Тугоплавкие материалы (тугоплавкий печной кирпич) выдерживают без оп­лавления и деформации температуру 1350...1580 °С, легкоплав­кие (кирпич керамический строительный) — до 1350 °С.

Акустические свойства материалов — это свойства, связан­ные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны — это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук — звукопоглощение.

При падении звуковой волны на ограждающую поверхность звуковая энергия отражается, поглощается и проводится твер­дым телом. Отношение, характеризующее количество погло­щенной энергии Е_поглк падающей Е_падназывают коэффициен­том звукопоглощения α

Коэффициент звукопоглощения зависит от ряда факторов: уровня и характеристик звука (шума), свойств поглощающего материала, способов его расположения по отношению к жесткой поверхности (потолку, стене) и методов измерения.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности и порис­тости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука, поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет откры­тую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, погло­щаются материалом, а не отражаются.

Сущность физического явления, происходящего при гашении звука пористым телом, заключается в следующем. Звуковые волны, падая на поверхность такого материала и проникая далее в его поры, возбуждают колебания воздуха, находящегося в уз­ких порах. При этом значительная часть звуковой энергии рас­ходуется. Высокая степень сжатия воздуха и его трение о стенки пор вызывают разогрев. За счет этого кинетическая энергия зву­ковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеива­ется в среде.

Гашению звука способствует деформирование гибкого ске­лета звукопоглощающего материала, на что также тратится зву­ковая энергия; этот вклад особенно заметен в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористо­стью при ее общем объеме не менее 75 %.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строе­ния. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса: если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хва­тает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание.

Качество звукоизоляционных ограждений оценивают коэф­фициентом звукопроводности т, представляющим собой отно­шение количества звуковой энергии, прошедшей через преграду, к звуковой падающей энергии Е_пад

Придание звукоизолирующих свойств ограждению базирует­ся на трех основных физических явлениях: отражении воздуш­ных звуковых волн от поверхности ограждения, поглощении звуковых волн материалом ограждения, гашении ударного или воздушного шума за счет деформации элементов конструкции и материалов, из которых она изготовлена.

Способность отражать звуковые волны важна для наружных ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения воздушных звуковых волн применяют массивные конструкции с гладкой наружной поверхностью.

Для внутренних помещений высокая отражающая способ­ность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отражен­ные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном помещении. В данном случае применяют многослойные конст­рукции, в состав которых входят элементы из звукоизоляционных материалов, эффективность которых оценивается динами­ческим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных про­кладок применяют пористо-волокнистые материалы из мине­ральной или стеклянной ваты, древесных волокон (древесно­волокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.).

Снижению уровня ударных и звуковых шумов способствуют малый динамический модуль упругости звукоизоляционных ма­териалов (до 15 МПа) и наличие воздуха в порах. В данном слу­чае снижение интенсивности звука происходит за счет деформа­ции элементов структуры звукоизоляционных материалов и час­тично — за счет звукопоглощения.

Читать по теме:

• Основные свойства строительных материалов
• Связь состава, структуры и свойств
• Физические свойства
• Механические свойства стройматериалов
• Химические и физико-химические свойства

К разделу

Строительные материалы