Глава 2. свойства строительных материалов

Краткая характеристика свойств проницаемости товаров

Когда материал или товар способен пропускать воду, пар, воздух, газ, пыль, то это говорит о наличии у него свойства проницаемости. На свойство проницаемости оказывают влияние диффузионные и сорбционные свойства. При этом сама проницаемость предопределяет массообменные процессы.

Основными факторами проницаемости считаются отношение материала к воде, наличие в нем сквозных пор, степень его пористости, природа покрывных пленок и т. д. У данного физико-химического свойства, как правило, выделяют такие разновидности, как паропроницаемость, воздухопроницаемость, водопроницаемость, проницаемость агрессивных сред и пылепроницаемость.

Таким образом, материалы и товары обладают различными физико-химическими свойствами, которые обуславливают их назначение, функционал, сроки годности и ряд других параметров, отражающих потребительские свойства производимых, реализуемых и потребляемых товаров.

Физические свойства

Истинная плотность — это масса единицы объема материала в абсолютно плотном (т.е. без пор) состоянии:

где m — масса материала; Va — объем материала без пор.

Истинная плотность — физическая константа, которая не может меняться без изменения химического состава или внутреннего строения материала.

Средняя плотность — это масса единицы объема материала в естественном (т.е. вместе с порами) состоянии:

где m — масса образца материала; Ve — объем образца материала.

Средняя плотность строительных материалов может меняться

в широких пределах: от 10…20 кг/м3 для самых легких пенопластов до 7850 кг/м3 для стали. Даже один вид строительных материалов в зависимости от технологии получения, структуры и назначения имеет разную среднюю плотность. Например: кирпич полнотелый — 1600…1900 кг/м3, тяжелый бетон — 1800…2500 кг/м3, пенопласты — 10…200 кг/м3 и т.д.

В последующем средняя плотность будет именоваться просто плотность.

Насыпная плотность — масса единицы объема материала в насыпном состоянии. Определяется для сыпучих материалов (цемента, песка, щебня и т.п.).

Абсолютное большинство материалов имеют в своем объеме поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Степень заполнения объема материала материалом называется коэффициентом плотности, который рассчитывается по формуле

Степень заполнения объема материала порами называется пористостью. В сумме Kпл и пористость составляют 1, или 100 %.

Пористость определяется по формуле

и может колебаться в широких пределах: от 0,2…0,8 % у гранита и свыше 90 % у пенопластов. Размеры пор могут быть от миллионных долей до нескольких миллиметров. По характеру поры могут быть сообщающимися или замкнутыми.

Пористость — важнейшая характеристика материала, связанная с рядом других свойств. От величины пористости, характера и размера пор зависят средняя плотность, прочность, теплопроводность, морозостойкость, долговечность, гигроскопичность и водопоглощение, водопроницаемость и др.

Слайд 32 Коррозионная стойкость — это способность материала не разрушаться под воздействием

различных веществ в процессе эксплуатации.Коррозионному разрушению подвержены не только металлы, но и каменные материалы, бетоны, пластмассы, древесина. Коррозия обусловлена химическими и электрохимическими процессами, которые происходят в твердых телах при взаимодействии с внешней средой. Основными агрессивными агентами, вызывающими коррозию строительных материалов, являются: пресная и минерализованная воды, газы (SO2, SO3, NО2), которые образуются в результате работы предприятий и автотранспорта. На промышленных предприятиях коррозию строительных материалов часто вызывают более сильные агенты: растворы щелочей и кислот, расплавы материалов и горячие газы. Особенным видом коррозии является биокоррозия — разрушение материала под действием живых организмов (грибов, микробов, насекомых). Биокоррозия — это не только гниение органических материалов (древесины, битума), но и разрушение природного камня, бетона и металла продуктами жизнедеятельности микроорганизмов.Коррозия опасна не столько химическими изменениями в материале, сколько связанными с ними изменениями физико-механических характеристик эксплуатируемых конструкций.

Химические[править]

Химическая стойкостьправить

Свойство материала сохранять свои свойства при контакте с химическими веществами.

Параметры: химически активное вещество, концентрация раствора вещества, (определенная или максимальная) температура.

«С» — стоек, в среде данной концентрации при данной температуре не происходит химического разрушения
«О» — относительно стоек, в среде данной концентрации при данной температуре происходит частичная потеря несущей способности
«Н» — не стоек, в среде данной концентрации при данной температуре применение недопустимо

У — устойчивый
ЧУ – частично устойчивый (может наблюдаться постепенное разрушение)
Н – не устойчивый (наблюдается быстрое разрушение в течение короткого периода времени)

Стойкость к агрессивным средам оценивается по изменению массы:

5 — высокая стойкость
4 — удовлетворительная
3 — материал устойчив не во всех случаях
2 — стойкость недостаточна, к применению не рекомендуется
1 — материал не стоек и быстро разрушается

Гидрофизические свойства

Свойства, связанные со статическим или циклическим воздействием воды или водяного пара на материал, называются гидрофизическими свойствами материалов.

Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Зависит от величины пористости, характера и размера пор, а также от параметров окружающей среды (температуры и относительной влажности воздуха). В самом общем случае — чем больше пористость, тем выше гигроскопичность.

Капиллярное всасывание — способность материала при непосредственном контакте с водой поднимать ее на определенную высоту по капиллярным порам, которые имеют размер от 1000Å до 10 мкм.

Влажность — это относительное содержание влаги в материале:

где m_c — масса материала, высушенного до постоянной массы, г;

m_вл — масса влажного материала, г.

Все материалы имеют ту или иную влажность, которая зависит от условий эксплуатации, величины пористости, характера и размера пор материала. Влажность влияет на ряд свойств материалов (плотность, прочность, теплопроводность и др.).

Влажностные деформации — увеличение линейных размеров и объема материала при его увлажнении (набухание) или уменьшение — при высыхании (усушка). Зависят от строения материала.

Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина 30…100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м), материалы с маленькой пористостью — незначительной усадкой (гранит 0,02…0,06 мм/м).

Водопоглощение — способность материала поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Количество воды, которое поглотил образец, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе Wm, а отнесенное к его объему — водопоглощением по объему Wo:

где m_в — масса материала, насыщенного до постоянной массы, г; m_с — масса сухого материала, г; V_e— объем материала в естественном состоянии; ρ_в — плотность воды, г/см3.

Водопоглощение зависит от величины пористости, характера и размеров пор.

Между этими водопоглощениями существует взаимосвязь:

Последняя формула удобна для определения Wo в случае затруднения определения объема материала, когда он имеет неправильную геометрическую форму.

Коэффициент насыщения — степень заполнения пор материала водой:

Этот коэффициент позволяет оценить структуру материала. Уменьшение Kн при постоянной величине пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости.

Водостойкость — способность материала сохранять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения

где Rв и Rc — пределы прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого материала.

Материалы, имеющие Kр > 0,8, считаются водостойкими и их разрешается применять в сырых условиях эксплуатации, материалы с Kр < 0,8 — неводостойкими.

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

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. В строительстве чаще необходимо противоположное свойство — водонепроницаемость, которая характеризуется или периодом времени, по истечении которого проявляются признаки просачивания воды через материал, или величиной давления воды, при котором она не проходит через материал. Эти свойства зависят от величины пористости, характера и размера пор.

Морозостойкость — способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и существенного снижения прочности. Это свойство взаимосвязано с долговечностью, зависит от величины пористости, характера и размера пор, начальной прочности, а также от условий эксплуатации. Характеризуется количеством циклов попеременного замораживания при температуре –15…–17 °С и оттаивания в воде при температуре +20 °С. Число циклов (марка или класс), которое должен выдерживать материал, в зависимости от его назначения, указывается в нормативных документах. Материал считается выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов потеря массы и снижение прочности не превышают значений, указанных в нормативных документах.

Физические свойства в науке

Физические свойства – это характеристики вещества, которые можно измерить с помощью физических методов. К ним относятся плотность, температура плавления и кипения, коэффициент теплопроводности и многие другие. Они позволяют описывать и классифицировать вещества и предсказывать их поведение в различных условиях.

Физические свойства играют очень важную роль в науке и технике. Они используются для исследования материалов, создания новых материалов с заданными свойствами, разработки новых технологий и изобретения новых устройств. Также они помогают понимать природные явления, происходящие на Земле и во Вселенной.

Однако физические свойства могут иметь и негативные последствия для окружающей среды. Например, высокая температура может привести к пожарам и разрушениям, а низкая температура – к обледенению и замерзанию водных ресурсов. Высокая плотность материалов может привести к проблемам с транспортировкой и хранением опасных веществ.

Поэтому при использовании физических свойств необходимо учитывать их воздействие на окружающую среду и принимать соответствующие меры для предотвращения негативных последствий. Например, использовать экологически чистые материалы с меньшей плотностью и температурой плавления, улучшать технологии переработки отходов и бережно относиться к природным ресурсам.

Примеры физических свойств:
Плотность: количество массы вещества, которое содержится в единице объема.
Температура плавления: температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое.
Коэффициент теплопроводности: способность вещества передавать тепло.
Индекс преломления: способность вещества изменять направление световых лучей.

Связь состава, структуры, строения и свойств материалов

Свойства материалов взаимосвязаны с их составом, структурой и внутренним строением.

Если для природных материалов (каменные материалы, древесина) возможно только частичное изменение их свойств, например, пропитка древесины антисептиками, которые препятствуют гниению древесины, то при получении искусственных материалов технологию следует рассматривать с точки зрения ее влияния на строение, структуру и, как следствие, на получение материалов с заданными свойствами.

Строительные материалы характеризуются химическим, минеральным и фазовым составами.

По химическому составу материалы делятся на органические (древесина, битум, полимеры) и минеральные, т.е. неорганические (природный камень, кирпич, бетон), а также металлы (чугун, сталь, алюминий). Органические материалы горючи, а минеральные нет. Химический состав некоторых материалов иногда выражают количеством содержащихся в них оксидов. Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Варьируя содержание и количество минералов, можно получить материалы с разными свойствами (например, портландцемент, быстротвердеющий и сульфатостойкий цемент и т.д.).

Фазовый состав — это соотношение между твердым каркасом материала и порами. Фазовый состав, а также фазовые переходы воды в порах материала взаимосвязаны со всеми свойствами и поведением материала при эксплуатации.

Свойства материала взаимосвязаны с его структурой. При изучении структуры материала различают макро- и микроструктуры.

Макроструктура — это строение, видимое невооруженным глазом. Микроструктура — строение, видимое под микроскопом.

Материалы могут иметь следующую макроструктуру:

рыхлозернистую — состоящую из отдельных не связанных друг с другом зерен (песок, гравий, цемент);
конгломератную — когда зерна прочно соединены между собой (бетон, керамические материалы);
ячеистую — которая характеризуется большим количеством равномерно распределенных по объему материала макрои микропор (ячеистые бетоны, пеностекло);
волокнистую (древесина, минеральная вата);
слоистую (фанера, текстолит).

Волокнистой и слоистой структурам присуща анизотропия, т.е. различие свойств в различных направлениях (например, прочность вдоль и поперек волокон).

Внутреннее строение материалов изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.д. По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных материалов определяет и различие их свойств. Материалы аморфного строения химически более активны, имеют меньшие прочность и теплопроводность, чем кристаллические такого же состава.

Слайд 7 Истинная или общая пористость Пи — это суммарный объем

всех пор (открытых и закрытых) по отношению к общему объему материала. Ее можно оценивать в долях единицы или в процентах, пользуясь формулой: % (1.3) Значения Пи изменяются в таких пределах, %: стекло, сталь — 0; кирпич керамический — 30-40; гранит, липарит — 0,2-0,8; тяжелый бетон — 5-20; легкий бетон — 35-85; поропласт — 85-95. Сравнение истинной пористости некоторых материалов приведено на рис. 1.1 Пи = 0% Пи = 1,5% Пи = 37% Пи = 74% Пи = 99% ρ = 2,7 г/см3 ρ = 2,75 г/см3 ρ = 2,7 г/см3 ρ = 2,7 г/см3 ρ = 1,4 г/см3 ρm = 2700 кг/м3 ρm = 2700 кг/м ρm = 1700 кг/м3 ρm = 700 кг/м3 ρm = 20 кг/м3 — Твердое вещество — Воздушные поры Рис. 1.1. Сравнение общей пористости некоторых материалов

Слайд 26 Истираемость – это свойство материала оказывать сопротивление истиранию, которое

зависит от твердости материала, характеризуется уменьшением массы на единицу площади поверхности образца и определяется по формуле, кг/м2: (2.8)где m1 и m2 – массы образца до и после истирания, кг; F – площадь истираемой поверхности, м2. Показатель истираемости имеет решающее значение при выборе материалов для полов, дорожных покрытий и др. Истираемость строительных материалов зависит также от их состава и структуры, например для кварцита – 0,6-1,2; гранита – 1-5; клинкерного кирпича – 2,2-4,3; керамической плитки для полов – 2,5-3; известняка – 3-8; цементного раствора – 6 -15 кг/м2. Ударная прочность Rуд, Дж/м3 – это способность материала противодействовать разрушению’ при кратковременной нагрузке ударного характера, характеризуется работой, расходуемой на разрушение образца материала, отнесенной к единице объема материала, вычисляется по формуле: (2.9)где n — количество ударов; q — вес гири, Н; h – высота ее падения; V — объем образца, м3.

Плотность строительных материалов.

Плотность строительных материалов. Плотность может быть истинной, средней, насыпной, относительной.

Истинная плотностью строительных материалов. Под истинной плотностью строительных материалов. (кг/м куб.) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала без трещин, пор и пустот.

Истинная плотность для основных строительных материалов следующая:

сталь, чугун 7800. 7900 кг/м 3 ;
портландцемент 2900. 3100 кг/м 3 ;
гранит 2700. 2800 кг/м 3 ;
песок кварцевый 2600. 2700 кг/м 3 ;
кирпич керамический 2500. 2800 кг/м 3 ;
стекло 2500. 3000 кг/м 3 ;
известняк 2400. 2600 кг/м 3 ;
древесина 1500. 1600 кг/м 3 .

Средняя плотность строительных материалов Это масса единицы объема материла или изделия в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами. Средняя плотность одного и того же материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности. Сыпучие материалы (цемент, щебень, песок и др.) характеризуются насыпной плотностью -отношением массы зернистых и порошкообразных материалов в свободном без уплотнения насыпном состоянии ко всему занимаемому ими объему, включая пространство между частицами.

От плотности строительного материала в значительной степени зависят его прочность, теплопроводность и другие свойства. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств и др. Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах.

Средняя плотность для некоторых строительных материалов следующая:

сталь — 7800. 7850 кг/м 3 ;
гранит — 2600. 2800 кг/м 3 ;
бетон тяжелый — 1800. 2500 кг/м 3 ;
кирпич керамический — 1600. 1800 кг/м 3 ;
песок -1450. 1650 кг/м 3 ;
вода — 1000 кг/м 3 ;
бетон легкий — 500. 1800 кг/м 3 ;
керамзит -300. 900 кг/м 3 ;
сосна — 500. 600 кг/м 3 ;
минеральная вата — 200. 400 кг/м 3 ;
поропласты -20. 100 кг/м 3 .

Плотность материала зависит от его пористости и влажности. С увеличением влажности плотность материала увеличивается.

Относительная плотность строительных материалов Это степень заполнения веществом объема материала. Относительную плотность выражают отвлеченным числом или в процентах.

Пористость строительного материала характеризует объем, занимаемый в нем порами — мелкими ячейками, заполненными воздухом. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно судить о примерной прочности, плотности, водопоглощении, долговечности и др. Для конструкций, от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость, используют плотные материалы, для стен зданий используют материалы со значительной пористостью. Такие материалы обладают хорошими теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами.

Для рыхлых материалов при расчетах учитывают насыпную объемную массу. Пористость и относительная плотность в значительной степени определяют эксплуатационные качества материалов (прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность). Значение показателя пористости строительных материалов колеблется от О (стекло, сталь) до 90 % (минеральная вата).

Пустотность строительного материала представляет собой количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала. Выражается в процентах по отношению ко всему занимаемому объему. Этот показатель важен для керамзита, песка, щебня при изготовлении бетона. В некоторых строительных материалах (кирпич, панели) имеются полости, также образующие пустоты. Пустотность пустотелого кирпича составляет от 15 до 50 %, песка и щебня — 35. 45 %.

Теплофизические свойства

Как упомянуто выше, такие свойства описывают последствия воздействий тепла или холода на вещества и материалы.

Теплопроводностью называется способность объекта передавать тепло от поверхности к поверхности через свою толщу.

Теплоемкость – свойство вещества, предусматривающее поглощение определенного количества тепла при нагревании и выделение того же количества тепла при охлаждении.

Огнестойкостью называется физическое свойство материала, которое описывает его способность противостоять действию высокой температуры и жидкости при пожаре. В соответствии с уровнем огнестойкости материалы и вещества могут быть несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми.

Огнеупорность – это способность объекта выдерживать длительные воздействия высокими температурами без последующего расплавления и деформации. В зависимости от уровня огнеупорности вещества могут быть огнеупорными, тугоплавкими и легкоплавкими.

Паро- и газопроницаемостью называется физическое свойство материалов пропускать через себя под давлением воздушные газы либо водяной пар.

Классификация веществ по свойствам растворов

Вещества в химии могут классифицироваться по различным свойствам. Одно из таких свойств — это их способность диссоциировать или растворяться в других веществах. Раствор — это однородная система, состоящая из двух или более веществ: растворителя и растворенного вещества.

Существуют различные способы классификации веществ по их растворимости:

Растворимость в воде: вещества могут быть растворимыми, нерастворимыми или низкорастворимыми в воде. Это зависит от силы межмолекулярных взаимодействий между молекулами вещества и молекулами воды.
Растворимость в органических растворителях: некоторые вещества растворяются лучше в органических растворителях, таких как спирты, эфиры или углеводороды, чем в воде.
Электролитность: вещества могут быть электролитами или непроводящими веществами. Электролиты образуют ионные растворы, которые могут проводить электрический ток. Непроводящие вещества образуют молекулярные растворы, которые не проводят электрический ток.

Также, растворы могут быть насыщенными, ненасыщенными или перенасыщенными в зависимости от количества растворенного вещества, которое может быть растворено в растворителе при определенных условиях.

Примеры растворимости веществ в воде
Тип растворимости
Примеры веществ

Растворимые вещества
Сахар, соль, кислоты
Нерастворимые вещества
Жир, масло
Низкорастворимые вещества
Некоторые соли и основания

Знание свойств растворов и классификации веществ по их растворимости позволяет ученым и химикам лучше понимать и описывать химические процессы, происходящие в природе и в лабораторных условиях.

Механические свойства

Механическими свойствами называются реакции материалов на приложенные к ним механические нагрузки.

Физические и механические свойства материалов часто пересекаются, однако существует ряд исключительно механических показателей. Со стороны механики вещества характеризуются упругостью, прочностью, твердостью, пластичностью, усталостью, хрупкостью и др.

Упругостью является способность тел (твердых) к сопротивлению воздействиям, направленным на изменение их объема либо формы. Объект с высокой величиной упругости устойчив к механическим напряжениям и способен самостоятельно восстанавливаться, возвращаясь в исходное состояние после прекращения воздействия.

Прочность показывает, насколько материал устойчив к разрушению. Его максимальный показатель для определенного объекта называется пределом прочности. Пластичность также относится к прочностным показателям. Она является свойством (характерным для твердых тел) бесповоротно изменять свой внешний вид (деформироваться) под влиянием сил, исходящих извне.

Усталостью называется накопительные процесс, при котором в результате повторяющихся механических воздействий растет уровень внутреннего напряжения материала. Этот уровень будет увеличиваться до тех пор, пока не пересечет предел упругости, в результате чего материал начнет разрушаться.

Одним из самых распространенных свойств является твердость. Она представляет собой уровень сопротивления объекта вдавливанию.