Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м3): алюминий — 2700, сталь — 7850, свинец — 11 300. Плотность воды — 1000 кг/м3.

Средняя плотность материала р,_п (кг/м³) (далее мы будем называть ее просто плотностью) — физическая величина, определяемая отноше­нием массы т (кг) материала ко всему занимаемому им объему V_m (м³), включая имеющиеся в нем поры и пустоты:

Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить как тяжелый бетон плот­ностью до 2500 кг/м3, так и особо легкий — плотностью менее 500 кг/м3.

Пористость — степень заполнения объема материала порами, %

Обычно пористость рассчитывают исходя из средней и истинной плотности материала:

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 98 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор предстаапяет собой сооб­щающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, проч­ность и др.

2.4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внеш­ней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Гидрофизические свойства.Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения могут поглощать влагу. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства.

Влажность — содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность W_m (%) определяют по формуле

Гигроскопичность — способность материалов поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность зависит от химического состава материала и характера его пористости. К гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Характерные для древесины усушка и набухание, сопровождающиеся короблением и возникающие даже без непосредственного контакта с водой, являются следствием ее гигро­скопичности. Снизить гигроскопичность можно, покрывая поверх­ность материала гидрофобными (водоотталкивающими) веществами. Например, древесину покрывают водостойкими лаками и красками.

При увлажнении материала изменяются его свойства -- возрастает плотность, теплопроводность и обычно снижается прочность. Поэтому при всех расчетах необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению влаги (водопоглощение и гигроско­пичность). Во всех случаях при применении и хранении пористые строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Влагоотдача — способность материала терять находящуюся в его порах воду. Влагоотдачу определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20° С и относительной влажности 60 %. Влагоотдачу учитывают, например, при сушке стен зданий и уходе за твердеющим бетоном. В первом случае желательна быстрая влагоотдача, а во втором, наоборот, замед­ленная.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения.

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличива­ется в объеме почти на 10 %. В результате стенки некоторых пор разрушаются и при повторном урттятуирмии рпщ проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся ЩафШЗОШШв^Ш^^Щ' вания с увлажнением постепенно разрушают матермрй № 47 I

[Морозостойкость материала зависит от его пористости и водо-поглощения.

Плотные материалы (без пор), а также материалы с замкнутыми порами, т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью обладают, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки,

Морозостойкость материала характеризуется числом циклов замо­раживания (при температуре не выше — 18° С) и оттаивания (в воде), которое он выдерживает без снижения прочности и потери массы или появления внешних повреждений, указанных в ГОСТе на соответст­вующий материал. Так, для бетона допускается потеря прочности не более 5 %, а для растворов не более 25 % от первоначальных значений этих величин.

По морозостойкости материалы подразделяют на марки: 15; 25; 35; 50; 100 и т. д. Например, марка по морозостойкости кирпича F15 означает, что образцы, отобранные от партии кирпича, выдерживают не менее 15 циклов «замораживания — оттаивания» без появления внешних повреждений (отколов, шелушения поверхности и т. п.).

Теплофизические свойства.Теплопроводность — способность мате­риала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверх­ности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м² поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1Kb течение 1 с. ■

Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но во всех случаях она во много раз превышает теплопроводность воздуха — 0,023 Вт/(м • К). Поэтому, чем больше в материале пор (т. е. чем больше в нем воздуха), тем ниже будет его теплопроводность:

Так как средняя плотность материала так же, как и теплопро­водность, обратно пропорциональна пористости, то она может служить характеристикой теплопроводности материала и исполь­зоваться в качестве основной характеристики (марки) теплопро­водности материала.

Если материал влажный, т. е. воздух в порах частично замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает. Причина этого в том, что теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.

При замерзании воды в порах материала его теплопроводность повышается еще в большей степени, так как теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды.

Теплоемкость — способность материала поглощать при нагревании теплоту. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К. Удельная теплоемкость большинства природ­ных и искусственных каменных материалов находится в пределах (0,7... 1) • 10 ДжДкг • К). Поэтому количество теплоты, нужное для нагрева той или иной строительной конструкции до одной и той же температуры, зависит в основном не от вида материала, а от массы конструкции.

Тепловое расширение — свойство материала расширяться при нагре­вании и сжиматься при охлаждении — характеризуется температурны­ми коэффициентами объемного и линейного расширения. В строи­тельстве чаще используют коэффициент линейного температурного расширения, показывающий, на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассма!риваемом направлении при повышении температуры на Г С.

Коэффициенты линейного температурного расширения (КЛТР)у разных материалов значительно отличаются. Например, КЛТРпласт­масс в 5... 10 раз выше, чем бетона. Поэтому в конструкциях, объеди­няющих несколько материалов, необходимо учитывать тепловое рас­ширение каждого. При жестком соединении материалов с разными КЛТР в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и как результат — коробление и растрескивание материала.

Эффект теплового расширения материалов можно наблюдать, на­пример, в изменении размеров шва между железобетонными панелями. Так, при изменении температуры от — 20 до + 30° С размер железобе­тонной панели длиной 6 м увеличивается на 3 мм, при этом на столько же уменьшается ширина шва между панелями.

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разру­шения воздействие огня и воды в условиях пожара. Разрушение материала в таких условиях может произойти из-за того, что он сгорит, растрескается, полностью потеряет прочность. По степени огнестой­кости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые матери­алы.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой темпера­туры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и др. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а ос­тальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность Wj? деформируются. JF

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспла­меняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

Для повышения огнестойкости горючих материалов используют антипирены — вещества, которыми пропитывают или покрывают ма­териал. Антипирены выделяют газы, не поддерживающие горения, или под действием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, чем замедляют его нагрев.

Огнеупорность — способность материала длительно работать в ус­ловиях высоких температур без деформаций и размягчения.

Примером огнеупорных материалов может служить огнеупорный кирпич, используемый для кладки внутренних объемов доменных и сталеплавильных печей, топок ТЭС и т. п. Деление материалов по степени огнеупорности дано в § 5.2.

Акустические свойства материалов— это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны,— это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах.

Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и мате­риала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук — звукопроводность-и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук — звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Ма-териачы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуко­вые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отража­ются. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

2.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства характеризуют способность материала со­противляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения сжатия, растяжения или сдвига. Основные механические свойства строительных

материалов: прочность, твердость, износостой­кость, деформативность (упругость, пластичность).

Прочность— свойство материала в определенных условиях и пределах восп­ринимать нагрузки или другие воздействия, вызы­вающие в нем внутренние напряжения, без разруше­ния.

Частицы, из которых состоит твердый материал, удерживаются в равнове­ сии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу мате­риала приложить внешнюю силу F, например растягивающую (рис. 2.2), то ее действие равномерно распределится на все частицы матери­ала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами — материал начнет деформи­роваться (в нашем случае — растягиваться).

Для определения значения напряжений а (МПа), т. е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения матери­ала, возникающих в материале при приложении к нему внешней силы Р (кН), мысленно делают поперечный разрез образца (а —а). Чтобы образовавшиеся половинки образца (/ и II) остались в равновесии, внешней силе /"должна противодействовать равная ей внутренняя сила : оА, где А (м²) — площадь поперечного сечения образца материала, откуда

Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений ст пропор­ционально возрастают его относительные деформации е

где Е— модуль упругости, МПа, характеризующий жесткость матери­ала.

Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Так, модуль упругости каучука 10..,20 МПа, а стали — 200 000 МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях, л

При увеличении действующей силы напряжения в материале воз­растают и могут превысить силу сцепления частиц — материал разру­шится.

На практике разрушение материала начинается значительно рань­ше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

Прочность материала характеризуется значением предела проч­ности R — напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения.

В зависимости от характера приложения нагрузки F\i вида возни­кающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2.3).

Предел прочности материала определяют на образцах, форму и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 мм.

Предел прочности бетона при сжатии Дж обычно 10...50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150 х 150 х 150 мм с R^ = =10 МПа, надо приложить усилие F= R^A = 10(0,15 х 0,15) = 225 кН (22,5 т). Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на обра­зец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов, развивающих усилие до 10³ кН (100 т) и более (рис. 2.4).

Для испытания на прочность образец 4 устанавливают на нижнюю плиту 3 пресса, зажимают верхней плитой 5 и включают масляный

насос 8. За повышением давления масла наблюдают по манометру 7, фиксируя давление, при котором начинается разрушение материала'. Разрушающее усилие F_p33p равно произведению значений зафиксиро­ванного давления к площади поршня пресса. Предел прочности при сжатии

где А — площадь поперечного сечения образца, м².

Аналогично определяют пределы прочности при растяжении, из­гибе, скалывании. Однако расчетные формулы при изгибе и скалыва­нии имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно рахтичаться.

У природных и искусственных каменных материалов прочность при сжатии в 5... 15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе выше прочности при сжатии (в 1,5...2 раза).

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочно­сти бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

вающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е, рассмотренный ранее.

Материалы, ведущие себя подобно глине, т. е. сохраняющие де­формации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответ­ственно обратимые деформации называются упругими деформациями, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные я искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворимые смеси до затвердевания.

Твердость— способность материалов сопротивляться проникнове­нию в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минера­лами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых материалов применяют методы Бринелля или Роквелла, основанные на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали или алмазного конуса. По диаметру отпечатка рассчитывают число твердости НВ (по Бринеллю) или HR (по Роквеллу).

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении во много раз превосходит его, но значительно уступает бетону в твердости.

Износостойкость— способность материала противостоять воздей­ствию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнаши­вания. Износостойкость — важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.