Понятия о механических, физических, химических, архитектурно-художественных свойствах материалов

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Понятия о механических, физических, химических, архитектурно-художественных свойствах материалов

Защитные покрытия из строительных материалов в процессе эксплуатации сохраняют изделия и сооружения от механических, физических и химических воздействий.

При выборе материала защитных покрытий учитывают его способность сопротивляться реальным воздействиям без нарушения сплошности, свойств и размеров. Необходимо одновременно учитывать сопротивляемость материалов механическим нагрузкам, стойкость к воздействию ожидаемых физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе через О °С, водной среды и др.) и химических (кислоты, щелочи, солевые растворы и др.) факторов.

Свойствами называют способность материалов определенным образом реагировать на воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних факторов. Фактические показатели этих свойств, выраженные в принятых числовых значениях, позволяют оценивать качество строительных материалов.

Механические свойства отражают способность тел (материалов) сопротивляться силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим напряжениям без нарушения установившейся структуры. Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформаций - растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми, или остаточными. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызывающих. Необратимые деформации, называемые, кроме того, пластическими, накапливаются в период действия этих факторов; после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими, а если в течение некоторого времени, то - эластичными.

На характер и величину деформаций влияет не только величина нагруже-ния, но и скорость приложения нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости деформирования и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластиче-ским, уменьшаясь по абсолютной величине.

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные перио-

ды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования - ползучестью или крипом. Деформационные свойства строительных материалов, как и других тел, обуславливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями.

К другому важному механическому свойству относится прочность, т.е. способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений. Типичными прочностными характеристиками являются предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности -максимальное напряжение в момент разрушения материала (2.1).

Величины модуля упругости и прочности можно определять неразру-шающими методами, при которых испытуемый образец остается неразрушенным, в отличие от того, как это происходит, например, при испытании его под прессом. Среди неразрушающих методов - ультразвуковые, радиометрические, ударные и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств при оценке качества материалов могут служить твердость, истираемость и ударная вязкость.

Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при вдавливании стального шарика или конуса, царапаний резцом, сверлении, ударах молотка, пулевом выстреле и др. Эти условия испытания дают значения твердости либо только качественные, например по следу царапания, либо также и количественные - по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки.

О твердости нередко также судят по потере массы образцами при испытании на металлических кругах в присутствии абразивных порошков.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных и керамических изделий.

Строительные материалы обладают комплексом физических свойств.

К физическим относятся свойства, выражающие способность материа-лов реагировать на воздействие физических факторов - гравитационных, т.е. основанных на законе земного притяжения, тепловых, водной среды, акустических, электрических, излучения (ядерного, рентгеновского и др.) и т.п. Ниже рассмотрены некоторые физические свойства материалов.

Средняя плотность характеризует массу единицы материала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная физическая характеристика определяется путем деления массы m образца на его объем v0 и выражается зависимостью:

Для точного измерения объема удобно принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные приемы измерения объема образцов и неправильной формы. При влажных образцах отмечается величина их влажности, при которой определялась средняя плотность.

Среднюю плотность рыхлых материалов, например песка, щебня, гравия, называют насыпной плотностью. В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпном объеме материала.

Истинная плотность - масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоянии. Определяется как отношение массы m материала, выраженной в граммах или килограммах, к объему v его в абсолютно плотном состоянии:

Величина р, как правило, больше р0 (средней плотности), так как подавляющее количество материалов содержит поры, трещины, каверны.

Пористость - степень заполнения объема материала порами; определя-ют ее с помощью вычисления по формуле:

(2.3)

Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим размерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением специальных методов: ртутной порометрии, сорбционного, капиллярного всасывания и др.

При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплопроводностью, теплоемкостью, температуре - устойчивостью, огнеупорностью и другими свойствами.

Теплопроводность - способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство характеризуется теплопроводностью А„ которая показывает количество теплоты, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1 °С в течение 1 ч.

В качестве примеров следует отметить, что гранит имеет теплопроводность 3.2 ... 3.5 Вт/(м-К), а кирпич керамический - 0.80 ... 0.85 Вт/(м-К).

Теплоемкость характеризует способность материала аккумулировать теплоту при нагревании. Теплоемкость оценивается с помощью так называемой удельной теплоемкости, которая показывает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1°С. Удельную теплоемкость С иначе называют коэффициентом теплоемкости.

(2.4)

где Q - количество теплоты, затраченное на нагревание материала, Дж; m -масса материала, кг; (t1 - t2) - разность температур материала до и после нагрева, °С. Ее размерность - Дж/(кгК).

Коэффициент теплоемкости воды равен 4.2 • 103 Дж/(кг • °С). Строительные материалы в сухом состоянии имеют более низкие значения этого коэффициента, например: каменные материалы - от 0.75 • 103 до 0.94 • 103, лесные материалы - от 2.42 • 103 до 2.75 • 103 Дж/(кг • °С), сталь 0.50 • 103 Дж/(кг • °С). Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действия высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в условиях высоких температур

не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию. При этом некоторые материалы почти не деформируются (кирпич, черепица), другие могут сильно деформироваться (сталь) или разрушаться, растрескиваться (природные камни, например гранит), особенно при одновременном воздействии воды, применяемой при тушении пожаров. Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы тления или обугливания полностью прекращаются. Среди такого рода материалов находятся фибролит, гидроизол, асфальтовый бетон и др. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них - древесина, войлок, битумы, смолы и др.

Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т.п. ), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят к огнеупорным. Огнеупорными являются шамот, динас, магнезитовый кирпич и другие материалы, применяемые для внутренней футеровки (облицовки) металлургических и промышленных печей.

Материалы, способные длительное время выдерживать воздействие высоких температур (до 1000°С) без потери или только с частичной потерей прочности, относят к жаростойким, например жаростойкий бетон, керамический кирпич, огнеупорные материалы.

Температуростойкость или термостойкость - способность выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений, нередко с переходом от высоких положительных к низким отрицательным температурам. Это свойство материала зависит от степени его однородности и от способности каждого компонента к тепловым расширениям. Последняя характеризуется коэффициентом теплового расширения - линейным или объемным. Линейный коэффициент показывает удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, а объемный характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1 °С. Для цементного бетона линейный коэффициент теплового расширения равен (10 ... 14) • 10"6, для древесины вдоль волокон (3 ... 5) • 10"6.

Отношение материала к статическим или циклическим воздействиям воды или пара характеризуется величинами водопоглощаемости, гигроскопичности, водопроницаемости, паропроницаемости, водостойкости.

Водопоглощаемость - способность материала впитывать и удерживать воду. Процесс впитывания воды в поры называется водопоглощением и в лабораторных условиях проходит при нормальном атмосферном давлении. Образец постепенно погружают в воду и его полного водопоглощения достигают путем кипячения в воде, если температура 100°С не влияет на состав и струк-

туру материала. Образцы выдерживают в воде в течение определенного срока или до постоянной массы.

Величина водопоглощаемости (%) определяется по массе:

B = (M2-Mi)-100/Mi

(2.5

)

или по объему

В0 =(M2-M1)/v,

(2.6

)

где M1 - масса до водопоглощения; М2 - масса после водопоглощения; v -объем образца.

Водопоглощаемость меньше пористости, так как не все поры заполняются водой и удерживают ее.

Сходная величина еодонасыщаемости определяется после насыщения материала (образца) водой под давлением 0.2 ... 0.3 МПа или 0.1 МПа при условии, что в порах был предварительно создан вакуум с помощью специального вакуум-насоса. Водонасыщаемость всегда больше водопоглощаемости, так как при принудительном пропитывании под давлением заполняются не только более крупные, но и тонкие поры и капилляры, недоступные воде при обычном процессе водопоглощения.

Гигроскопичностью называется способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или парогазовой смеси. Степень поглощения воды или паров, которые частично конденсируются в порах и капиллярах материала, зависит от относительной влажности и температуры воздуха, парциального давления смеси. С увеличением относительной влажности и со снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается.

За характеристику гигроскопичности принята величина отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температуре +20 °С к массе сухого материала.

Влагоотдачей называют способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Она измеряется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре +20°С. Влага, находящаяся в тонких порах и капиллярах, удерживается прочно, особенно ад-сорбционно-пленочная влага, что способствует ускоренному передвижению поглощаемой воды по сообщающимся порам в материале. Если между влажностью окружающей среды воздуха и влажностью материала устанавливается равновесие, то отсутствуют гигроскопичность и влагоотдача, а состояние принято именовать воздушно-сухим.

Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в 1 час через 1 см2 поверхности материала при заданном давлении воды. Иногда она также характеризуется периодом времени, по истечении кото-

рого появляются первые признаки просачивания воды под определенным дав-

лением через образец испытуемого материала. Давление воды устанавливается стандартом в зависимости от вида материала.

Паро- и газопроницаемость оцениваются с помощью особых коэффициентов, сходных между собой. Они равны количеству водяного пара (или воздуха), которое проходит через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 ч при разности давлений 10 Па.

Водостойкость - способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Числовой характеристикой водостойкости служит отношение предела прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии. Это отношение принято называть коэффициентом размягчения. К водостойким относятся материалы, коэффициент размягчения которых больше 0.8, например гранит, бетон и др. Эти материалы можно применять в сырых местах без специальных мер по защите их от увлажнения.

В жестких условиях находится тот материал, который увлажняется при резких температурных перепадах. Вода, поглощенная материалом, особенно порами в поверхностном слое, замерзает при переходе через нулевую температуру с расширением на 8.5 %. Кристаллизация льда в порах и оттаивание вызывают внутренние напряжения, приводящие к образованию микро- и макротрещин. Способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных технических повреждений и ухудшения свойств называется морозостойкостью. Обычно замораживание образцов, насыщенных водой, производится в специальных морозильных камерах при температуре выше -17°С, а оттаивание организуется в воде, имеющей комнатную температуру. Продолжительность одного цикла составляет одни сутки. Многие материалы выдерживают от 200 до 300 циклов и более. Могут применяться и ускоренные методы испытания на морозостойкость или сохранность в солевых растворах при чередующейся кристаллизации соли в порах материала. В отношении некоторых материалов, например природного камня, о морозостойкости судят по величине коэффициента размягчения. Принято считать, что если коэффициент размягчения не ниже 0.9, то данный материал обладает достаточной морозостойкостью.

К физическим свойствам относятся также звукопоглощаемостъ., поглощаемость ядерных излучений и рентгеновских лучей, электропроводность, светопроницаемость. С помощью испытаний соответствующих образцов материала определяются числовые характеристики этих свойств. Они сравниваются с допустимыми нормами.

Для более полной оценки качества материалов изучают также химические свойства. Эта группа свойств выражает способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и, кроме того, способность сохранять постоянным состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Большинство строительных мате-

риалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, агрессивными газами и другими средами. Постепенное или быстрое изменение структуры и ее разрушение под влиянием агрессивных химических и электрохимических процессов в материале называют коррозией. Этот вопрос рассматривался при изучении долговечности изделий и сооружений.

К архитектурно-художественным свойствам относят: блеск способность направленно отражать световой поток; текстура - рисунок природного материала, выражающий на его поверхности

характерную структуру, особенности строения;

фактура - видимое строение поверхности материала (изделия). По характеру поверхности материала различают две группы фактур: рельефные и гладкие;

цвет - осознанное зрительное ощущение, вызываемое в результате действия потоков электромагнитного излучения в диапазоне видимой части спектра. Цветовая характеристика необходима для оценки материала с целью обеспечения комфорта и цветовой гармонии отделки.

Прозрачность - свойство материала пропускать свет, не изменяя направление его распространения. Показатель учитывают при использовании полимерных материалов в зоне световых лучей. Определяется как

(2.7)

где Г - интенсивность света, прошедшего выходную поверхность; 10 - интенсивность света, падающего на противоположную поверхность материала.

Этот показатель называется коэффициентом прозрачности.

Радиационная стойкость - свойство материала противостоять воздействию интенсивных потоков радиоактивного излучения, изменяющего его структуру и свойства. Показатель учитывают при выборе конструкционных материалов, работающих в зоне ионизирующих излучений для обеспечения надежности защиты от них.

Светопроницаемость (или просвечиваемость) - свойство материала пропускать прямой и рассеянный свет. Показатель необходим при расчете освещенности помещений. Этот показатель характеризуется коэффициентом светопроницаемости и количественно определяется как

Л = 1/1о, (2-8)

где 1 - полный световой поток, выходящий из слоя материала во всех направлениях; t0 - световой поток, падающий на материал.

Светостойкость - свойство материала сохранять свой цвет под действием световых лучей. Показатель учитывают при выборе светостойких пигментов в покрытии и связующих в композициях.

Изменение линейных размеров называется относительной деформацией и определяется как

(2.9)

где А1 - абсолютная деформация, см; 1 - первоначальный размер образца, см.

Эластичность - свойство материала выдерживать без повреждения изгиб из плоскости. Показатель необходим для оценки эксплуатационных свойств лакокрасочных покрытий. Количественно оценивается в миллиметрах по минимальному диаметру металлических стержней, вокруг которых происходит изгиб.

Деформируемость - свойство твердых материалов изменять свою форму (линейные размеры) или объем под действием внешней нагрузки, а также собственной массы, температуры и других факторов.