СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Строительные материалы, применяемые при производстве каменных работ, характеризуются определенными физическими, механическими и химическими свойствами, имеющими в каждом конкретном случае решающее значение.
Среди физических свойств строительных материалов выделяют прежде всего плотность. Она определяется отношением массы тела к занимаемому объему, включая имеющиеся в нем пустоты и поры. Выражается эта величина в кг/м3.
Различают истинную плотность и насыпную. Истинная плотность – это предел отношения массы к объему, когда объем стягивается к точке, в которой определяется плотность тела или вещества без учета имеющихся в них пустот и пор. Насыпная – это отношение массы зернистых материалов ко всему занимаемому ими объему, включая пространства между частицами.
У таких пористых материалов, как например кирпич, средняя плотность меньше истинной, у плотных (гранит) – практически равна истинной плотности.
Другое важное свойство – пористость, т.е. степень заполнения объема материала порами, выражается в процентах.
По величине пор выделяют мелкопористые – размеры пор составляют сотые и тысячные доли миллиметра – и крупнопористые материалы – размеры пор от десятых долей миллиметра до 1...2 мм.
Пористость материалов влияет на такие свойства, как прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность и др. Рассмотрим их.
Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. Водопоглощение определяют по массе или по объему и выражают в процентах. Водопоглощение по объему всегда меньше 100 %, а по массе может быть более 100 % (теплоизоляционные материалы способны поглащать значительно больше воды, чем их масса).
Водопоглощение ухудшает основные свойства материалов, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, уменьшает прочность, так как связь между частицами материала ослабляется.
Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называют водостойкостью и характеризуют коэффициентом размягчения, который равен отношению предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии сухого материала.
Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Такие материалы применяют в конструкциях, работающих в воде, и в местах с повышенной влажностью.
Влагоотдача – это свойство материала терять находящуюся в его порах влагу. Влагоотдача характеризуется количеством воды в % (по массе или объему), теряемым стандартным образцом материала в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре окружающей среды 20°С.
Влагоотдача имеет большое значение для многих материалов и изделий. Например, стеновые панели и блоки в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в последствии, благодаря водоотдаче, высыхают: вода испаряется из них до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха.
Гигроскопичность – это свойство материалов поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичные материалы (древесина, теплоизоляционные материалы, кирпичи полусухого прессования и др.) могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. Во избежание этого для древесины и ряда других материалов и конструкций приходится применять защитные покрытия, а применение для кладки кирпича сухого прессования ограничивается зданиями и помещениями с пониженной влажностью воздуха.
Водопроницаемость – это способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через образец площадью 1 м2 и толщиной 1 м при постоянном давлении. К водонепроницаемым относятся особо плотные материалы (стекло, битум и др.) и плотные материалы с замкнутыми порами (бетон специального состава).
Морозостойкость – это свойство материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения (трещин, выкрашивания, расслаивания) и без снижения прочности и массы. Это свойство особенно важно для материалов, используемых для фундаментов, стен, кровли и др., подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию. Они должны быть повышенной морозостойкости. Высокой морозостойкостью характеризуются плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5 %.
Морозостойкость материалов проверяют в холодильных камерах многократным замораживанием насыщенных водой образцов и последующим их оттаиванием в воде при комнатной температуре. Материал считают морозостойким, если после определенного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образца за счет выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а снижение прочности образца – не более 25 %.
Морозостойкость характеризуется коэффициентом морозостойкости, который определяется отношением предела прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость к пределу прочности насыщенного водой материала.
Паро– и газопроницаемость – это свойства материала пропускать под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы с незамкнутыми порами способны пропускать пар или газ. Паро– или газопроницаемость материала характеризуются соответственно коэффициентом паро– и газопроницаемости, численно равным количеству пара или газа в литрах, проходящего через слой материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Па.
Коэффициент паропроницаемости учитывают при выборе материалов для изоляции сооружений и объектов. Наиболее наглядный пример – домашние холодильники, работающие при температурах более низких, чем температура окружающего воздуха, так как водяные пары, проникая из окружающего воздуха в изолируемую конструкцию, конденсируются и превращаются в капли воды, увлажняют конструкцию и ухудшают ее теплозащитные свойства. Газо– и воздухопроницаемость – важный показатель материалов для наружных стен и покрытий зданий.
Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту при наличии разности температур с одной и другой сторон. Теплопроводность материала оценивается количеством теплоты в Дж, проходящей через образец толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур противоположных поверхностей образца 1 °С.
Теплопроводность материала зависит от природы и строения материала, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материалы кристаллического и крупнопористого строения обычно более теплопроводны, чем материалы аморфного и мелкопористого строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависит от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например теплопроводность древесины вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от средней плотности (чем меньше плотность, тем меньше теплопроводность, и наоборот). К примеру, теплопроводность в воздушно-сухом состоянии тяжелого бетона 1,3-1,6, керамического кирпича 0,8-0,9, минеральной ваты 0,06-0,09 Вт/(м•°С). Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. При повышении температуры теплопроводность увеличивается, что имеет существенное значение для выбора теплоизоляционных материалов, применяемых для изоляции трубопроводов, котельных установок и др.
От теплопроводности зависит толщина стен и перекрытий отапливаемых зданий, толщина тепловой изоляции горячих поверхностей, например трубопроводов.
Теплоемкость – это свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость <кДж/(кг•°С)>, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 1°С. Удельная теплоемкость искусственных каменных материалов 0,75-0,92, древесины – 2,4-2,7, стали – 0,48, воды – 4,187 кДж/(кг•°С).
Это свойство материалов учитывают при расчетах теплостойкости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева составляющих бетонной и растворной смесей для зимних работ, при расчете печей.
Звукопоглощение – это способность материала ослаблять интенсивность звука при прохождении его через материал. Степень поглощения звука характеризуется коэффициентом звукопоглощения. Звукопоглощение материала зависит от его структуры. Материалы с сообщающимися открытыми порами поглощают звук лучше, чем материалы с замкнутыми порами. Наилучшими звукоизолирующими свойствами обладают многослойные стены и перегородки с чередующимися слоями пористых и плотных материалов.
Звукопроницаемость – это свойство материала пропускать звуковую волну. Она оценивается коэффициентом звукопроницаемости, который характеризует относительное уменьшение силы звука при прохождении его через толщу материала.
Огнестойкость – это свойство материалов противостоять действию высоких температур. По степени огнестойкости материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы – кирпич, бетон, сталь – под действием огня или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые материалы – фибролит, асфальтовый бетон – под действием огня тлеют и обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются. Сгораемые материалы – дерево, рубероид, пластмассы – воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть даже после удаления источника огня.
Огнеупорность – это свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь при этом. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, выдерживающие действие температур до 1580°С и выше (шамотный, динасовый кирпич), тугоплавкие, выдерживающие действие температур 1350-1580°С (тугоплавкий кирпич), легкоплавкие, размягчающиеся или разрушающиеся при температуре ниже 1350°С (керамический кирпич).
Среди механических свойств строительных материалов, применяемых в каменной кладке, в первую очередь выделим прочность. Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению при действии внешних сил, вызывающих в нем внутренние напряжения. Прочность материала характеризуется пределом прочности при сжатии, изгибе и растяжении.
Предел прочности стеновых материалов при сжатии и изгибе определяют по ГОСТу.
Упругость – это свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал еще обладает упругостью, называется пределом упругости. К упругим материалам относят резину, сталь, древесину.
Пластичность – это свойство материала изменять под нагрузкой форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости. К пластичным материалам относят битум и др.
Хрупкость – это свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без заметной пластичной деформации. К хрупким материалам относят природные камни, кирпич, бетон, стекло, чугун и т.п.
Сопротивление удару – это свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок. В процессе эксплуатации зданий и сооружений материалы в некоторых конструкциях подвергаются динамическим (ударным) нагрузкам, например в фундаментах кузнечных молотов, бункерах, дорожных покрытиях.
Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Это свойство материалов важно при устройстве полов и дорожных покрытий.
Твердость природных каменных материалов определяют по минералогической шкале твердости (Мооса) – каждым предыдущим минералом можно нанести царапину на последующем.
Истираемость – это свойство материала сопротивляться воздействию истирающих усилий. Это свойство важно для материалов, подвергающихся истиранию (плитки для полов, лестничные ступени и др.). Истираемость материалов определяют в лабораториях.
Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Подобное воздействие на материал происходит при эксплуатации дорожных покрытий, полов промышленных зданий, и т. п.
Химические свойства материалов также важны в строительном деле – они характеризуют способность материала вступать в реакции с другими веществами и при этом частично или полностью изменять свои первоначальные структуру и свойства.
Химическая стойкость – это способность материалов противостоять разрушающему воздействию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов.
Коррозионная стойкость – свойство материалов сопротивляться агрессивному воздействию среды. К агрессивным средам относят воду, газы, растворы кислот и щелочей, органические растворители.
Многие строительные материалы разрушаются под воздействием кислот. Высокая химическая и коррозионная стойкость наблюдается у природных каменных материалов (диабаз, андезит, базальт), плотной керамики. Кислотостойкостью обладают и некоторые полимерные материалы.
Растворимость – это способность материала растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости материала служит концентрация его насыщенного раствора. Если материал под действием растворителя ухудшает свои свойства или разрушается, то растворимость является отрицательным фактором. В некоторых случаях растворимость используют как составную часть технологии.