Будівельні матеріали, іх властивості

Істинна густина  більшості неорганічних матеріалів становить2200...3300 кг/м³ сталі - 7600...7900, сплавів алюмінію - 2600..2900 кг/м³ поліетилену - 910..970 кг/м. Середня густина матеріалів змінюється в широких межах (табл.3.2.), наприклад, для найлегших пористих пластмас вона становить 10...20 кг/м, а для щільних - 2000 кг/м³ і більше.

Густина матеріалів збільшується, якщо збільшується тиск, і зменшується ч підвищенням температури. Виняток становить вода, яка має максимальну густину при 4°С. При фазових перетвореннях густина матеріалів змінюється стрибкоподібно, збільшуючись у процесі переходу з рідкого стану в твердий. Вода, а також чавун та ряд інших матеріалів при затвердненні стають менш щільними. Густину матеріалу визначають пікномєтричним методом, гідростатичним зважуванням тощо.

Для будівельних матеріалів у ряді випадків визначають також відносну густину ρ_від, - відношення об’єму матеріалу в зразку до повного його об'єму

 Ρ_від = (ρ₀ / ρ)100%, (3.20)

Регулюють середню густину зміною пористості - об’єму пор в одиниці об’єму матеріалу. Загальну пористість можна визначити за формулою

П= (1 - ρ₀ / ρ)-100%, (3.21)

Таб3.2 Характеристика металів

Матеріал	Істинна густина, кг/м3	Середня густина, kt/mj	Загальна пористість, %
Граніт	2650...2700	2600...2700	0...2
Вапняк	2700	1800...2700	11...13
Бетон важкий	2600	1800...2400	8...31
Пінобетон	2600	300...600	77...85
Деревина: сосна	1500	400..500	67...73
Дуб	1500	610...750	50...60
Скло віконне	2400...2650	2450...2650	-
Сталь	7800...7850	7800...7850	-

 

Пористість матеріалів суттєво впливає на ряд інших властивостей, зокрема тепло- й електропровідність, міцність, проникність.

Розрізняють відкриту і закриту пористість. Відкриту (уявну) пористість можна визначити за об’ємним водонасиченням матеріалу. Для сипких матеріалів загальне значення пористості характеризується ступенем заповнення порами як окремих зерен, так і міжзернових пустот. Пористість будівельних матеріалів коливається в широких межах (див. табл.3.2).

Регулювання пористості - ефективний технологічний засіб цілеспрямованої зміни властивостей матеріалів.

При порівняно невеликих значеннях пористості (П > 10%) більшість показників інших фізичних властивостей лінійно знижуються у разі їх зростання:

у = у₀(1-kП), (3.22)

де у - показник властивості пористого матеріалу; у₀ - показник ідентичної ідентичної властивості безпористого матеріалу; k - коефіцієнт, що залежить від особливостей структури матеріалу і має для кожної властивості конкретне значення (наприклад, для електро- і теплопровідності середнє значення k = 3/2; міцності - 3...6).

У широких межах пористість пов’язана з показниками фізико- механічних властивостей біномінальною функцією:

у = у₀ (1-П)^k (3.23)

Значення коефіцієнта k у формулі (3.22) такі самі, як і у формулі (3.21).

Вплив пор на властивості матеріалів пов’язаний не тільки з їхнім відносним об'ємом, а й залежить від їх розміру, форми, відкритого або закритого характеру порових каналів. Наприклад, при однаковій загальній пористості матеріали з більшим об’ємом закритих пор морозо- стійкіші. Збільшення об'єму відкритих пор сприяє підвищенню звукопоглинання. Відкрита пористість збільшує хімічну активність матеріалів і знижує корозійну стійкість їх.

Будівельно-технічні властивості матеріалів поліпшуються при дрібнопористій будові й рівномірному розподілі пор. Відкриту пористість матеріалів визначають за методами, заснованими на вдавлюванні ртуті у пори, просочуванні зразків рідиною з наступним її витісненням, відкачуванні повітря з пор тощо. Закриту пористість визначають за допомогою мікроскопа, малокутового розсіювання рентгенівських променів.

Для дисперсних матеріалів важливим параметром стану є питома поверхня, віднесена до одиниці об’єму або маси матеріалу. Питома поверхня S_пит обернено пропорційна розміру частинок. Для частинок кулястої форми

S_пит= 3/r (3.24)

де r - радіус частинки.

 

3.10. Зміна продуктивності млина Пр(l) і активності цементу Ru (2) залежно від питомої поверхні матеріалу

 

 

 

 

 

 

 

 

Із збільшенням питомої поверхні матеріалів зростає їхня внутрішня енергія і реакційна здатність (рис.3.10). Питому поверхню дисперсних матеріалів вимірюють, визначаючи опір проходження повітря крізь шар порошку, а також за адсорбційним та іншими методами.

Енергетичною характеристикою стану матеріалів є поверхнева енергія - надлишок енергії поверхневого шару на межі поділу двох фаз. Значення поверхневої енергії на межі з повітрям зокрема для міді становить 1,43 Дж/м² (при 1100^иС), силікатного скла - 0,3 Дж/м² (при 650°С). Із зростанням температури поверхнева енергія знижується, вона значною мірою залежить від складу матеріалів, виду і концентрації домішок. Значення поверхневої енергії матеріалів прямо пов’язане із значенням поверхневого натягу, що характеризує роботу переходу атомів із внутрішніх шарів на поверхню при утворенні 1 см² нової поверхні.

Гідрофізичні властивості. Ця група властивостей матеріалів відображає їхнє відношення до води. Взаємодія води (як і інших рідин) з поверхнею твердого тіла, виявляється у змочуванні, зумовленому силами молекулярної взаємодії твердих тіл з розчинами. Вона спричинює розтікання рідини на поверхні й просочування пористих тіл та порошків. Змочують тверду поверхню лише ті рідини, які зменшують поверхневий натяг на межі з повітрям. Вода, наприклад, змочує матеріали з високополярним хімічним зв’язком: бетон, кераміку, гірські породи тощо. Не змочуються матеріали із слабкою міжмолекулярною взаємодією у поверхневому шарі - ряд полімерів, бітумів тощо. Властивість матеріалу змочуватися водою називають гідрофільністю, не змочуватися - гідрофобністю. Мірою змочуваності є крайовий

кут ɵ, що утворюється краплею рідини на твердій поверхні. Для гідрофільних матеріалів кут ɵ гострий, для гідрофобних - тупий. Ступінь гідрофобності матеріалів можна суттєво змінити впливом на їхню поверхню ПАР. що адсорбуються. Характерним прикладом гідрофобізації є отримання гідрофобного цементу помелом його при наявності добавок жирних кислот або їхніх солей.

Пористі гідрофільні матеріали гігроскопічні, тобто здатні поглинати воду з повітря. Гігроскопічність зумовлена адсорбцією води на поверхні та в мікрокапілярах матеріалу. Вона вимірюється відношенням кількості поглиненої вологи до маси матеріалу і зростає із збільшенням вологості та зменшенням температури навколишнього середовища. Гігроскопічна волога коливається залежно від особливостей структури матеріалів: для піску 4...9%; керамічних стінових матеріалів 5...7. деревини - 12...18, ніздрюватих бетонів - 20% і більше. Гігроскопічне зволоження призводить до несприятливої зміни ряду властивостей будівельних матеріалів, зокрема до зниження активності цементу, набухання деревини й зниження її міцності, зростання теплопровідності теплоізоляційних матеріалів.

Під час безпосереднього контакту матеріалів з водою вони зволожуються завдяки капілярному всмоктуванню, дифузії та гідростатичному заповненню водою відкритих пор.

Капілярне всмоктування (здатність матеріалів поглинати рідини внаслідок піднімання їх по капілярах) спричинюється силами поверхневого натягу, що виникають на межі поділу твердої і рідкої фаз. і характеризується висотою підняття h, яку визначають за формулою ).

При гідрофобізації матеріалів COS ɵ змінює знак і h<0, тобто виникає капілярний тиск, який протидіє підніманню води. Наприклад, гідрофобізований матеріал з капілярами діаметром близько 10 мкм чинить опір гідростатичному тиску, який становить приблизно 0,03 МПа.

Можливість самозволоження матеріалів за рахунок всмоктування потрібно враховувати, експлуатуючи будівлі та споруди. Так, щоб за- побігти зволоженню грунтовими водами нижніх частин будівель, влаштовують гідроізоляційний шар, який відокремлює фундамент. Ефект капілярного всмоктування можна використовувати для просочування пористих матеріалів захисними сумішами.

Ступінь заповнення пор матеріалу водою характеризується во- допоглинанням. Розрізняють водопоглинання за масою В_т і об’ємом B_v:

В_т = [(т₁-т)/т]100%, (3.25)

B_v=[(mi-m)/V]-100%, (3.26)

B_v=B_mρ₀, (3.27)

де т і - маса зразка, насиченого водою; т - маса сухого зразка; V - об’єм зразка у природному стані; р₀ - середня густина матеріалів.

Водопоглинання за об’ємом характеризує відкриту або так звану уявну пористість. На відміну від водопоглинання за масою пористість завжди менша ніж 100%. Для металів, скла, фарфору водопоглинання дорівнює нулю, граніту - 0,5...0,7%, щільного бетону - 2...7, керамічної цегли 8...20, ряду високопористих теплоізоляційних матеріалів - понад 100% (за масою). Оскільки водопоглинання пов’язане з рядом інших властивостей матеріалів (міцністю, морозостійкістю, проникністю тощо), у разі потреби воно нормується.

Для матеріалів, що застосовуються для будівництва гребель, резервуарів. колекторів та інших напірних споруд, важливою властивістю є водопроникність, здатність пропускати воду під дією тиску. Водопроникність характеризується коефіцієнтом фільтрації К_ф, який показує кількість води V_в, що протягом часу х просочилася крізь одиницю площі F випробуваного матеріалу завтовшки δ при різниці гідростатичного тиску Р₁- P₂ = 1 м вод. ст.:

К_ф = V_в δ/F (Р₁-Р₂)τ, (3.28)

Водопроникність, або водонепроникність вимірюється також граничним тиском, при якому вода не проходить крізь зразок. Залежно від значення граничного тиску (10*МПа) зокрема для бетонів встановлені марки за водонепроникністю (W2, W4, W6, W8, W12).

Під час зволоження матеріалів можуть суттєво змінюватися їхні механічні властивості за рахунок утворення адсорбційно-активного середовища і розклинювальної дії розчинника (ефект П.О.Ребіндера), розчинення на контактах зрощення кристалів, набухання шаруватої

структури деяких мінералів тощо.

Здатність матеріалу зберігати механічні властивості у насиченому водою стані - водостійкість, характеризується коефіцієнтом розм’якшення

K_p = R_H/R_c, (3.29)

де R,, - міцність зразка, насиченого водою; R_c - міцність сухого зразка.

Коефіцієнт розм'якшення може змінюватися від нуля (вапно, деякі види глини тощо) до одиниці (сталь, скло, фарфор, граніт тощо). До водостійких належать матеріали, які мають коефіцієнт розм’якшення не менше як 0.8. Підвищення водостійкості досягають зниженням розчинності та пористості матеріалів, їх гідрофобізацією або просочуванням та покриттям водостійкими сумішами.

Руйнівний вплив порової води особливо значний під час дії поперемінного заморожування й відтавання. Це пояснюється розвитком значних внутрішніх напружень внаслідок кристалізаційного тиску води що замерзає в порах матеріалу. В міру чергування циклів заморожування і відтавання в матеріалі накопичуються залишкові деформації, які спричинюють руйнування втомлювального типу. Інтенсивність руйнування пов’язана із зростанням водонасичення матеріалу через відкриту пористість, а також із зниженням температури, тобто із збільшенням об’єму утворюваного льоду в матеріалі.

Здатність насиченого водою матеріалу не руйнуватися під дією знакозмінної температури називається морозостійкістю. Кількісно морозостійкість оцінюється марками, що дорівнюють кількості циклів почергового заморожування й відтавання, яку затримують зразки матеріалу без зниження міцності понад 5...25% або маси понад 5%. Марки за морозостійкістю можуть коливатись у широких межах залежно від виду матеріалу, його складу, характеру пористості тощо. Наприклад, для цегли встановлюють марки F15...50, для гідротехнічного бетону F50..500.

Водонасичені зразки випробовують на морозостійкість у холодильних камерах послідовним заморожуванням і відтаванням при температурі -20...+20°С. У найхарактерніших капілярних порах матеріалу вода починає кристалізуватися при температурі -10...-20°С.

Підвищення морозостійкості матеріалів досягають насамперед за рахунок зменшення відкритої капілярної пористості, а також збільшення розмірів закритих пор. Закриті пори, заповнені повітрям, виконують роль буферів, які послаблюють тиск утворюваного льоду. Морозостійкість зростає, якщо підвищується водостійкість матеріалів, їхня міцність на розтяг.

Теплофізичні властивості. Відношення до впливу теплоти визначає технологічні та експлуатаційні характеристики матеріалів.

Міра теплової енергії, що потрібна для підвищення температури матеріалу на 1 °С, називається теплоємністю. Її визначають експериментально за допомогою калориметрів, використовуючи рівняння теплового балансу систем. Теплоємність залежить від хімічного складу й будови матеріалів, їхньої температури та вологості. Питома теплоємність скла становить 0.035... 1,047 кДж/(кг*К), природних й штучних кам'яних матеріалів - 0.754...0.921 кДж/(кг*К). Для органічних матеріалів вона значно вища, ніж для неорганічних.

Підвищення теплоємності при зростанні температури виражається лінійною залежністю

С = С₀( 1 + αТ), (3.30)

де С₀- питома теплоємність при 0°С; α- константа; Т - абсолютна температура.

Для матеріалів, які нагрівають до дуже високих температур, користуються залежністю: