Физические свойства

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Эти свойства характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окружающей среды. К ним относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглощение и водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухо-, газо- и паропроницаемость, теплопроводность и теплоемкость, огнестойкость и огнеупорность.

Масса - это совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т.е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие плотности. Последняя подразделяется на истинную и среднюю.

Истинная плотность - отношение массы к объему материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор и пустот. Чтобы определить истинную плотность r (кг/м³, г/см³), необходимо массу материала (образца) m (кг, г) разделить на абсолютный объем V (м ³, см³), занимаемый самим материалом (без пор):

Зачастую истинную плотность материала относят к истинной плотности воды при 4^о С, которая равна 1г/см³, тогда определяемая истинная плотность становится как бы безразмерной величиной.

Однако большинство материалов имеют поры, поэтому у них средняя плотность всегда ниже истинной плотности:

Таблица

Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и некоторых других) истинная и средняя плотности равны, т.к. объем внутренних пор у них весьма мал.

Средняя плотность - это физическая величина, определяемая отношением массы образца материала ко всему, занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность r (кг/м³, г/см³) вычисляют по формуле:

r = m / V,

где m - масса материала в естественном состоянии; V - объем материала в естественном состоянии.

Средняя плотность не является величиной постоянной - она изменяется в зависимости от пористости материала. Например, искусственные материалы можно получит с различной пористостью (тяжелый бетон имеет плотность до 2900 кг/м³, а легкий - до 1800 кг/м³). На плотность оказывает влияние влажность материала.

Для сыпучих материалов важной характеристикой является насыпная плотность - сюда включается не только пористость самого материала, но и пустоты между зернами или кусками материала.

Пористостьматериала - это степень заполнения его порами. Пористость дополняет плотность до 1 или до 100%. Пористость различных материалов:

· стекло, металл 0%;

· тяжелый бетон 5 - 10%;

· кирпич 25 - 35%;

· газобетон 55 - 85%;

· пенопласт 95%,

т.е. она колеблется в значительных пределах.

На свойства материала оказывают влияние также величина пор и их характер (мелкие или крупные, замкнутые или сообщающиеся).

Плотность и пористость прямо влияют на такие характеристики материалов как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Водопоглощение- способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном водой и в абсолютно сухом состоянии. Различают объемное водопоглощение, когда разность относят к объему образца и массовое водопоглощение - при отнесении разности к массе сухого образца. Массовое водопоглощение для некоторых материалов:

· гранит 0,5 - 0,8%

· тяжелый бетон 2 - 3%

· керамический кирпич 8 - 20%

· пористые теплоизоляционные материалы, например, торфоплиты >100%.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает плотность и теплопроводность, снижает прочность.

Влажность - содержание влаги, отнесенное к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала зависит как от свойств впитывать влагу самого материала, так и от среды, в которой находится материал.

Влагоотдача- свойство материала отдавать влагу окружающей атмосфере. Определяется по количеству воды (в процентах по массе или объему стандартного образца), теряемой материалом в сутки при влажности окружающего воздуха 60% и температуре 20⁰ С. Вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала и влажностью окружающего воздуха.

Гигроскопичность - свойство материалов поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Это свойство характерно, например, для древесины - чтобы избежать этого, применяют защитные покрытия.

Водопроницаемость - свойство материала пропускать воду под давлением. Характеризуется количеством воды, прошедшей в 1 час через 1 см² площади испытуемого материала при постоянном давлении. Водонепроницаемыми являются особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Вода, замерзая, увеличивается в объеме на 9%, при этом, если она заполнила полностью поры - лед разрушит стенки пор, но обычно поры заполняются не полностью, поэтому разрушение может произойти при многократном замораживании и размораживании.

Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение для стеновых, фундаментных и кровельных материалов, систематически подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию.

Материалы на морозостойкость испытывают в морозильных камерах. Насыщенные водой образцы охлаждают до температуры - 15-17⁰С и, после чего, их оттаивают при температуре +20⁰ С. Материал считается морозостойким если после заданного числа циклов потеря в массе образцов в результате выкрашивания и расслоения не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 25%. По числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяют на марки М_мрз 10, 15 ,25 , 35, 50, 100, 150, 200 и более.

Если образцы в процессе испытаний не имеют следов разрушения, то степень морозостойкости устанавливается определением коэффициента морозостойкости:

К_мрз = R_мрз / R_нас,

где R_мрз - предел прочности при сжатии материала после испытания на морозостойкость, МПа; R_нас - предел прочности при сжатии насыщенного водой материала, МПа. Для морозостойких материалов К_мрз должен быть не менее 0,75.

Паро- и газопроницаемость - свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы, в том числе воздух. Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость характеризуется коэффициентом, который определяется количеством пара или газа в литрах, проходящего через слой материала толщиной 1м и площадью в 1 м² в течение одного часа при разности парциальных давлений на противоположных стенках 133,3 Па.

Теплопроводность - свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. теплопроводность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытываемого материала толщиной 1 м, площадью 1 м² за 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 1⁰С. Теплопроводность измеряется в Вт/(м·К).

Теплопроводность материала зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем материал аморфного строения. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависти от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например, теплопроводность древесины вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон.

Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами.

Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот.

На теплопроводность материала значительное влияние оказывает его влажность: влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как теплопроводность воды в 25 раз больше теплопроводности воздуха.

При повышении температуры теплопроводность увеличивается.

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (Дж), необходимому для нагревания 1 кг материала на 1⁰С.

Удельная теплоемкость, КДж/(кг·⁰С):

· искусственные каменные материалы 0,75 - 0,92;

· древесина 2,4 - 2,7;

· сталь 0,48;

· вода 4,187.

Теплоемкость учитывается при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при расчете печей.

Огнестойкость - способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости материалы делят на: несгораемые, трудно сгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич).

Трудно сгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (древесно-цементный материал фибролит, асфальтовый бетон, некоторые виды полимерных материалов).

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (дерево, войлок, толь, рубероид).

Огнеупорность- свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные (длительное время выдерживают температуру свыше 1580⁰С), тугоплавкие (1350 - 1580⁰С) и легкоплавкие, размягчающиеся при температуре ниже 1350⁰С (к ним относят и обыкновенный глиняный кирпич).