книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

Марки теплоизоляционных материалов задают в показате­ лях средней плотности. Например, марка пенобетона плотно­ стью 305 кг/м3 обозначается D300, так как марка - это округ­ ленное значение свойства материала по таблицам стандарта на данный материал.

Насыпная плотность - р„ (кг/м3, г/см3) - определяется для рыхло-насыпных, зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, минеральной ваты и т.п.). Вы­ числяется насыпная плотность как отношение массы единицы объема насыпного материала к его объему с учетом межзерно­ вых пор и пор внутри каждой зернистой частицы:

Например, истинная плотность известняка 2700 кг/м3, его средняя плотность 2500 кг/м3, а насыпная плотность известня­ кового щебня фракций 5-20 мм составляет 1450 кг/м3. По этим данным, пользуясь приведенными ниже формулами, можно вы­ числить такие структурные свойства, как пористость известняка

ипустотность щебня.

2.2.1.2.Структурные свойства

Строение структуры материала характеризуется истинной

(или общей), открытой и закрытой пористостями, распреде­ лением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Истинная (или общая) пористость (П„) - степень запол­ нения объема материала порами. Ее вычисляют по формулам

- для сплошного тела (куска):

и выражают в долях объема материала, принимаемого за 1, или в процентах от объема.

Пористость строительных материалов колеблется в широ­ ких пределах: от 0 до 98 %. С ростом общей пористости сни­ жается теплопроводность и прочностные характеристики ма­ териала.

Пористость материала может быть закрытой и открытой для доступа внешней среды. Открытую пористость можно оп­ ределить через водопоглощение материала.

Водопоглощепис - свойство материала при непосредствен­ ном соприкосновении с водой впитывать и удерживать ее в сво­ их порах. Водопоглощение выражают степенью заполнения объема материала водой (<водопоглощение по объему В0,) или отношением количества поглощенной воды к массе сухого ма­ териала (водопоглощение по массе В,,,)5.

Вычисляют водопоглощение по формулам:

(2.8)

где т| и пъ - масса материала соответственно в сухом и насы­ щенном водой состоянии, кг; V - объем материала в сухом со­ стоянии, м3.

Разделив В0 на В„, получим среднюю плотность материала:

Закрытую пористость - Пзакр рассчитывают через разность истинной и открытой пористости (Пзакр= Пи - Во).

Изменяя соотношение объема открытых и закрытых пор, их размеров, в материаловедении достигают получения материалов с заданными свойствами.

5 Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше истинной пористости, но водопоглощение по объему ни­ когда не может превышать истинную пористость.

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-по­ ристого материала поглощать влагу из воздуха.

Поглощение влаги из воздуха обусловлено молекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и его капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Таким образом, степень сорбции (десорбции) зависит от температуры, влажно­ сти воздуха и открытой пористости материала. С увеличением относительной влажности и снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается.

Эксплуатационную гигроскопичность материала (равно-

весную влаэюность) характеризуют отношением массы влаги, поглощенной материалом при эксплуатационной температуре

иотносительной влажности воздуха, к массе сухого материала

ивыражают в процентах.

Гигроскопичность отрицательно сказывается на качестве строительных материалов. Так, минеральные вяжущие при хра­ нении под влиянием влаги воздуха комкуются и снижают свою активность. Весьма гигроскопичная древесина от влаги воздуха разбухает, коробится, трескается. Чтобы уменьшить деформа­ ции деревянных изделий и конструкций, их пропитывают поли­ мерами, покрывают красками и лаками, которые препятствуют проникновению влаги в материал.

Капиллярное всасывание - свойство пористо-капиллярных материалов поднимать воду по капиллярам. Оно вызывается си­ лами поверхностного натяжения, возникающими на границе раздела твердой и жидкой фаз. Капиллярное всасывание харак­ теризуется высотой поднятия уровня воды в капиллярах мате­ риала, количеством поглощенной воды и интенсивностью вса­ сывания.

Когда фундамент здания находится на влажном грунте, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам фундамента и увлажнять низ стены здания. Во избежание сырости в помеще­ нии устраивают слой гидроизоляции, отделяющий фундамент от стены. С увеличением капиллярного всасывания снижается проч­ ность, морозостойкость и коррозионная стойкость материалов.

Влагоотдача - свойство материала терять находящуюся

вего порах воду. Численной характеристикой влагоотдачи явля­ ется количество воды (в %), испарившейся из образца материала

втечение суток при температуре 20 °С и относительной влаж­ ности воздуха 60 %.

Влагоотдачу учитывают, например, при уходе за твердею­ щим бетоном, при сушке оштукатуренных стен здания. Для ре­ гулирования скорости влагоотдачи строители используют раз­ личные технологические приемы.

Влажность (W) - отношение массы воды, находящейся

вданный момент в материале, к массе материала в сухом со­ стоянии. Вычисляю по тем же формулам, что и водопоглощение по массе и выражают в процентах:

где т2- масса влажного материала в естественном, а не в насы­ щенном водой состоянии.

При транспортировании, хранении и применении материа­ лов имеют дело не с водопоглощением, а с их влажностью. Влажность меняется от 0 % (для абсолютно сухих материалов) до значения полного водопоглощения. Она зависит от пористо­ сти, гигроскопичности и других свойств материала, а также от окружающей среды: относительной влажности и температуры воздуха.

Поскольку свойства сухих и влажных материалов различ­ ны, то в справочной и нормативной литературе сначала приво­ дятся свойства материалов в сухом состоянии, а затем - способы перевода характеристик материала к эксплуатационной влажно­ сти (например, по формуле 2.3);

Воздуха-, газо- и паропроницаемость - спорсобность ма­ териала пропускать через свою толщу соответственно воздух, газ или пар. Она зависит главным образом от строения материа­ ла, дефектов его структуры и влажности. Проницаемость выше, если в материале больше сообщающихся пор; наличие воды в порах снижает воздухо-, газо- и паропроницаемость.

Количественно воздухо-, газо- и паропроницаемость харак­ теризуется коэффициентами воздухо- газо- и паропроницаемо- emu р, которые равны количеству воздуха (газа, пара) в мг (г, см3), проходящего в течение 1 ч через 1 м2 материала толщи­ ной в 1 м при разности давлений на поверхности в 1 Па, то есть ц = мг/м-ч-Па.

Стеновые и отделочные материалы должны обладать оп­ ределенной проницаемостью («дышать») и поддерживать опти­ мальный для человека воздушно-влажностный режим в поме­ щениях. Стены влажных помещений защищают с внутренней стороны паронепроницаемыми материалами от проникновения в ограждающие конструкции водяного пара.

Лакокрасочные покрытия либо уменьшают, либо сохраня­ ют проницаемость строительных материалов. Чем меньше паро­ проницаемость лакокрасочной пленки, тем выше ее антикорро­ зионно-защитные свойства.

Водопроницаемость - это свойство материала пропускать воду под давлением. Степень водопроницаемости в основном зависит от строения и пористости материала. Чем больше в ма­ териале открытых пор и пустот, тем больше его водопрони­ цаемость.

Водопроницаемость характеризуют коэффициентом филътрацгш Кф (м/ч) и измеряют количеством воды (в м3), про­ ходящей через материал площадью 1 м2, толщиной 1 м за 1 ч при разности гидростатического давления в 1 Па. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости проникания в материал воды (м/ч).

Для гидроизоляционных и коррозионно-стойких материа­ лов важна оценка не водопроницаемости, а водонепроницаемо­ сти, характеризующейся максимальным давлением воды, при котором она еще не проходит через образец материала (напри­ мер, бетонный цилиндр диаметром и высотой 150 мм) за время испытания.

Показатель качества гидроизоляционных материалов зада­ ют маркой по водонепроницаемости. Например, марка по водо­ непроницаемости бетона W8 показывает максимальное давле­

ние воды - 8 атм, при котором она не просачивается через обра­ зец бетона толщиной 150 мм.

Водостойкость материала оценивают степенью потери прочности материала в водонасыщенном состоянии и измеряют

коэффициентом размягчения Kvam:

глины и т.п.) до 1 (металлы и т.п.). Водостойкие строительные материалы6 имеют коэффициент размягчения 0,8 и более.

Влажностные деформации - это свойство неорганиче­ ских и органических материалов (таких как бетон, древесина) изменять свои размеры и объем при изменении влажности, например усыхать или набухать.

Усадкой (усушкой) - называют уменьшение размеров мате­ риала при его высыхании. Усадка вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и дейст­ вием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить эти частицы.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении мате­ риала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их; при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капил­ лярные силы.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистый бетон), способные поглощать много воды, характеризуются большими влажностными деформациями:

6 Грунты считаются водостойкими, если их коэффициент раз­ мягчения выше 0,7.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материа­ ла часто встречается на практике и сопровождается поперемен­ ными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, уско­ ряющие разрушение. В подобных условиях находится бетон

вдорожных покрытиях и в наружных частях гидротехнических сооружений. Поэтому эту группу строительных материалов обя­ зательно характеризуют воздухостойкостью, то есть способно­ стью материала сопротивляться влажностным деформациям усадки-набухания, без значительной потери прочности и массы.

Морозостойкость - свойство насыщенного водой мате­ риала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и без значительного сниже­ ния прочности и массы.

Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и, соответственно, маркой по морозостойкости F.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания материала

вводонасыщенном состоянии, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более чем на 5 или 15 % и потери массы более чем на 3 или 5 % (в зависимости от вида материала), без видимых повреждений: трещин, выкра­ шивания. Например, если бетон выдержал 400 циклов попере­ менного замораживания, его марка по морозостойкости (показа­ тель качества бетона) записывается как F400.

От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмо­ сферных факторов и воды. Марка по морозостойкости устанав­ ливается нормативными документами (ГОСТом, СНиПом, ра­

бочим проектом) с учетом вида материала, изделия и конструк­ ции, условий их эксплуатации и климата.

Разрушение пористых материалов на морозе в водонасы­ щенном состоянии происходит за счет объемных деформаций материала при замерзании воды в порах, вызванных модификационными переходами воды в лед, которые сопровождаются увеличением объема льда на 8-9 %. Вода в макропорах мате­ риалов застывает при температурах -16...-25 °С, а в микропорах при температурах -50...-78 °С. Поэтому с целью повыше­ ния морозостойкости при создании материала у него снижают открытую пористость7 и размеры пор.

Косвенно оценить морозостойкость материала можно его структурным фактором, который называется коэффициентом морозостойкости Ктроъ (или коэффициентом водонасыще-

Н и Я A LHSC) .

Коэффициент морозостойкости (насыщения) может изме­ няться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры от­ крытые). Материал косвенно считается морозостойким, если он имеет £ мороз< 0,75.

2.2.1.4. Теплофизические и огнезащитные свойства

Теплоемкость - это свойство материала поглощать при на­ гревании и отдавать при охлаждении определенное количество тепла. Теплоемкость - эта мера энергии, необходимой для изме­ нения температуры материала.

Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость С, кДж/(кг*К), равна количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 К.

7 В звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно соз­ дается открытая пористость или перфорация, необходимая для погло­ щения звуковой энергии.

Удельные теплоемкости материалов зависят от их вида (см. табл. 2.3) и нужны для теплотехнических расчетов.

Теплопроводность - свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях материала.

Теплопроводность характеризуют коэффициентом тепло­ проводности А,, показывающим, какое количество теплоты (в Дж) способен пропустить материал толщиной в 1 м через 1 м2 своей поверхности при разности температур на противополож­ ных поверхностях 1 К в течение 1 с. Измеряется этот коэффи­ циент в

Поскольку теплопроводность воздуха (X = 0,023 Вт/м-К) меньше, чем теплопроводность твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала, то увеличение по­ ристости материала является основным способом снижения те­ плопроводности.

При увлажнении материала (и теплопроводности воды 0,58 Вт/м-К) его теплопроводность увеличивается на величину бинома по зависимости

(2.13)

где ХоиХ„ - теплопроводности соответственно сухого и увлаж­ ненного материала, a W - влажность материала в долях единицы.

Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает теплопроводность материала, так как теплопровод­ ность инея равна 0,1 Вт/м-К, а льда - 2,3 Вт/м-К, то есть в 4 раза больше, чем теплопроводность воды.

При нагреве теплопроводность большинства материалов также увеличивается по зависимости Xt = Ао • (1 + b • t\ и лишь у немногих материалов (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается.

С целью снижения влияния влажности на теплопровод­ ность теплоизоляционного материала в нем формируют закры­ тую пористость.

Используя функциональную зависимость между плотно­ стью и теплопроводностью материала8, В.Н. Некрасов вывел расчетную формулу теплопроводности для каменных мате­ риалов:

Зависимость между структурными характеристиками неко­ торых материалов и их теплопроводностью приведена в табл. 2.3.

Тепловое расширение (тепловые деформации) - свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаж­ дении.

Оно характеризуется коэффициентом линейного темпера­ турного расширения а, (или КТР), который показывает, на ка­ кую долю первоначальной длины расширяется материал при повышении температуры на 1 °С. Измеряется этот коэффициент в единицах 1/°С.

Так, для стали а, составляет (11,0...11,9)-1(Г* °С~1, для бе­ тона - (10...14)*1(Г* °С~1, для древесины вдоль волокон - (З...5)10“б °СГ1. В конструкциях, объединяющих несколько ма­ териалов, необходимо учитывать КТР каждого; например, в же­ лезобетоне хорошо сочетаются сталь и бетон, так как КТР этих материалов одинаков. В результате значительного различия КТР в композиционных материалах возникают напряжения, которые могут привести не только к появлению микротрещин и коробле­ нию, но и разрушению материалов.

При сезонном изменении температуры окружающей среды и материала на 50 °С относительная температурная деформация достигает 0,5-10'3 или МО"3, то есть 0,5... 1,0 мм/м. Во избежа­ ние растрескивания материала в изделиях и конструкциях большой протяженности их длину ограничивают, а здания и со­ оружения разрезают деформационными швами.

Горючесть - свойство материала не воспламеняться и вы­ держивать без разрушения воздействие высоких температур

8 Именно исходя из этой функциональной зависимости марку те­ плоизоляционных материалов задают в показателях их плотности.