книги / Строительные материалы

торый объем ртути в них остается после снятия давле­ ния. Кривая 2 для порошка с большим объемом пустот (4—6 мкм) между зернами. Кривая 3 для материала с мелкой пористостью, кривая 4 для материала с однород­ ной структурой пор 0,02—0,04 мкм.

В современных поромерах измерение пористости автоматизировано и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах.

Дифференциальная кривая распределения объема пор Vn по их размерам (см. рис. 1.3) соответствует равенст­ ву

dVu= f v (r)t

dr

где - dVп •— тангенс угла наклона касательной к интегральной кри- dr

вой.

Площадь под дифференциальной кривой (на рис. 1.3 заштрихована) равна суммарному объему пор в единице объема материала.

Удельную поверхность порового пространства вычис­ ляют, используя средний условный радиус пор, или опре­ деляют прямыми адсорбционными методами (по адсорб­ ции водяного пара, азота и другого инертного газа).

Удельная поверхность S, см2/г, пропорциональна мас­ се пг адсорбированного водяного пара (или газа), необ­ ходимой для полного покрытия мономолекулярным сло­ ем всей внутренней поверхности пор (в г на 1 г сухого материала):

		5 =	atN		тп		(Ы 2)
			М
где а \—-поверхность,		покрываемая		одной		адсорбированной	молеку­
лой; для	молекулы	воды aj = 10,6- 10_,в				см2; N =6,06• 1023 — число
Авогадро;	М — молекулярная масса				адсорбированного газа		(для во­

дяного пара М=18).

Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером по­ ристости. Это видно из данных табл. 1.2, в которой попарно сопоставлены плотные и пористые материалы, имеющие в основном общий химический состав.

2. Гидрофизические свойства

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно­ пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.

Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверх­ ности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-хи­ мический процесс называется сорбцией, причем он обра^ тим. Древесина, теплоизоляционные, стенотзые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней по­ верхностью пор и поэтому высокой сорбционной способ­ ностью.

Сорбционная влажность характеризует способность материала поглощать пары воды из окружающего возду­ ха. Численно она равна влажности материала (по массе или объему) после окончания поглощения им водяного пара. G повышением давления водяного пара (т. е. с уве­ личением относительной влажности воздуха при посто­ янной температуре) возрастает сорбционная влажность материала (рис. 1.5).

Согласно уравнению Фрейндлиха, количество адсор­

бированного газа
a = kpVn,	(1.13)

где р — давление газа при достижении равновесия; k я п — эмпири­ ческие параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при определенной температуре.

В логарифмических координатах это уравнение выра­ жается отрезком прямой:

lga= )gk + — \gр.

п

Кривая, выражающая зависимость количества адсор­ бируемого газа от давления, после насыщения внутрен­ ней поверхности пор стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (см. точку А на рис. 1.5) .

Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности материала происходит вследствие капиллярной конден­ сации. В узких капиллярах материала, который хорошо смачивается водой (древесина, кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхно­ стью. В результате пар, не достигший давления насыще­ ния по отношению к плоской поверхности, может быть пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких капиллярах и будет конденсироваться в них. Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водя­ ного пара из атмосферы влажность пористых материалов

	даже	после	их	длительной		а
	выдержки на воздухе доста­
	точно велика. Так, равновес­
	ная влажность воздушно-су­
	хой древесины			составляет
	12—18% по массе, стеновых
	материалов — 5—7 %				по
	массе.	Увлажнение сильно
	увеличивает		теплопровод­
	ность	ограждающих			конст­
	рукций и теплоизоляции, по­
	этому	стремится		предотвра­
	тить увлажнение, например,					Рис. 1.5. Изотерма адсорбции (при
	покрывая утеплитель гидро­					Р>Р д круто поднимается вверх
						вследствие капиллярной конденса­
	изоляционной пленкой..
						ции
	Капиллярное			всасывание
	воды	пористым		материалом

происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не бы­ ло сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции сте­ ны от ее надземной части.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия уровня воды в капилярах материала, количест­ вом поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определя­ ют по формуле Жюрена:

	h = 2а cos Ql(rpg) ,		(1.14)
где а — поверхностное	натяжение;	0 — краевой	угол смачивания;
г — радиус капилляра;	р — плотность	жидкости;	g — ускорение сво­
бодного падения.

Поры в бетоне и других материалах имеют непра­ вильную форму и изменяющееся поперечное сечение, по­ этому приведенная формула годна лишь для качествен­ ного рассмотрения явления; высоту всасывания воды определяют по методу «меченых атомов» либо по изме­ нению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенный материалом путем капил­ лярного всасывания за время /, в начальной стадии под­ чиняется параболическому закону:

V* = K t,

(1.15)

где К — константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания (т. е. значе­ ния К) отражает улучшение структуры материала (на­ пример, бетона) и повышение его морозостойкости.

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кир­ пича и др.) определяют по стандартной методике, выдер­ живая образцы в воде с температурой 20±2°С. Водопо­ глощение, определяемое погружением образцов матери­ ала в воду, характеризует в основном открытую порис­ тость. Например, пористость легкого бетона может быть 50—60 % объема, а его водопоглощение составляет 20— 30 % объема. Водопоглощение определяют по объему и массе.

Водопоглощение по объему W0, % — степень запол­ нения объема материала водой:

W0 = (пгв — mc)/V ei

(1.16)

где т в — масса образца материала, насыщенного водой, г; тс — мас­ са образца в сухом состоянии, г.

Водопоглощение по массе WM, %, определяют по от­ ношению к массе сухого материала:

Г м = СТв ~ тс 100.	(1.17)
тс

Разделив W0 на WM, получим

W0 = WMd.

(1.18)

Относительную плотность сухого материала d выра­ жают по его отношению к плотности воды (безразмер­ ная величина).

Диэлькометрический и нейтронный методы измерения влажности применяют преимущественно для сыпучих ма­ териалов, в особенности для оперативного контроля влажности заполнителей для бетона (песка, гравия, щеб­ ня). Измерение влажности материала этими методами производят при помощи влагомеров, состоящих из изме­ рительного преобразователя и электронного измеритель­ ного блока (пульта) с отсчетным устройством. Диэль­ кометрический метод измерения основан на зависимости между влажностью и диэлектрической проницаемостью материала. Нейтронный метод использует связь влажно­ сти и степени замедления быстрых нейтронов, проходя­ щих через материал.

Водопоглощение различных материалов,колеблется в широких пределах (% по массе): гранита 0,02—0,7; тя­

желого плотного бетона 2—4; кирпича 8—15; пористых теплоизоляционных материалов 100 и более. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но по объему оно никогда не может превышать пористость. Водопоглощение определяют для оценки структуры материала, используя для этой цели

коэффициент насыщения пор водой /С„, равный отноше­ нию водопоглощения по объему к пористости:

KH= W0/ n .

(1.19)

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты), тогда W0 = n. Уменьшение Кн (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Коэффициент размягчения kp— отношение прочно­ сти материала, насыщенного водой RB, к прочности сухо­ го материала Rc:

*р = Яв/Дс.

(1.20)

Коэффициент размягчения характеризует водостой­ кость материала, он изменяется от 0 (размокающие гли­ ны и др.) до 1 (металлы и др.)* Природные и искусствен­ ные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость — это свойство материала про­ пускать воду под давлением, характеризуемое коэффици­ ентом фильтрации Аф, м/ч:

кф= VBa/[S(P i - p 2)t],

(1.21)

где £ф= V*— количество воды, м3, проходящей через стенку пло­ щадью 5 = 1 м2, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гид­ ростатического давления на границах стенки pi—р2= 1 м вод. ст.

Водонепроницаемость материала (бетона) характери­ зуется маркой, обозначающей одностороннее гидростати­ ческое давление, при котором образец-цилиндр не про­ пускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепрони­ цаемости имеется определенное соотношение: чем ниже Лф, тем выше марка по водонепроницаемости.

С водопроницаемостью борются при возведении гид­ ротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов и т. п. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны и др.

Газо- и паропроницаемость. При возникновении у по­ верхностей ограждения разности давления газа происхо­ дит его перемещение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и мо­ лекулярным потоками, которые подчиняются соответст­ венно законам Дарси-Пуазейля и Кнудсена.

Использование закона Дарси-Пуазейля при неболь­ ших перепадах давлений (когда можно пренебречь из­ менением плотности газа) позволяет определять массу газа Vp (плотностью р), прошедшего через стенку пло­ щадью поверхности S и толщиной а за время t при раз­ ности давлений газа на гранях стенки Др по упрощенной формуле:

Vp = kr Stbp/a.

(1.22)

Отсюда можно определить коэффициент газопроницае­ мости, г/(м-ч-Па)

bP= aVp/(Stbp)'

( 1.23)

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным усло­ виям.

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью (стена должна «дышать»), т. е. через наружные стены происходит естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсут­ ствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жи­ лых зданий, больниц и т. п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и по­ крытия влажных производственных помещений необхо­ димо защищать с внутренней стороны от проникновения в них водяного пара. В зимнее время внутри теплых по­ мещений (текстильных фабрик, коммунальных предприя­ тий, коровников, свинарников и т. п.) в 1 м3 воздуха со­ держится водяного пара значительно больше, чем снару­ жи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Поподая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах.

Т А Б Л И Ц А 1.3. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРО- И ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ (ЗА 1 ПРИНЯТА ПРОНИЦАЕМОСТЬ КИРПИЧА)

				Относительные
	Плот­	Пори­		значения
‘Материал			%
	ность,	стость,		паропро-	газопро­
	кг/м8
				ницае-	ницае­
				ыости	мости
Кирпич глиняный	1800	31		1	1
Легкий бетон	1800	31		0,8	0,9
Кирпич трепельный	1100	58		2,2	4,2
Известняк	2000	23		0,7	1,2
Бетон на гравии	2200	15		0,25	0,1

Создаются условия, способствующие быстрому разруше­ нию материала (легкого бетона, кирпича) наружной ог­ раждающей конструкции при действии мороза.

Паронепроницаемые материалы должны распола­ гаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

В ряде случаев необходима практически полная га­ зонепроницаемость; это относится к емкостям для хра­ нения газов, а также к специальным сооружениям, внут­ реннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха. Паро- и газопрони­ цаемость в большей степени зависят от структуры мате­ риала (плотности и пористости) (табл. 1.3).

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и раз­ меры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она вызывает­ ся уменьшением толщины слоев воды, окружающих ча­ стицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагаю­ щими материал, как бы расклинивают их, при этом утол­ щаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Че­ редование высыхания и увлажнения пористого материа­

ла, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания, Та­ кие многократные циклические воздействия нередко вы­ зывают появление трещин, ускоряющих разрушение, В подобных условиях находится бетон в дорожных покры­ тиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бе­ тоны), способные поглощать много воды, характеризуют­ ся большой усадкой, мм/м:

Древесина	(поперек волокон)	30— 100
Ячеистый	бетон	1—3
Строительный раствор		0,5— 1
Кирпич глиняный		0,03=—0 , 1
Тяжелый	бетон	0,3	—0,7
Гранит		0,02	—0,06

Усадка возникает и увеличивается, когда из материа­ ла удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практи­ чески не вызывает объемных изменений.

Морозостойкость — свойство насыщенного водой ма­ териала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку мате­ риала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, ко­ торое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; после испытания образ­ цы не должны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потеря массы не более 5 %). От морозо­ стойкости зависит долговечность строительных матери­ алов в конструкциях, подвергающихся действию атмо­ сферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются сред­ немесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаива­ ния по данным многолетних метеорологических наблю­ дений.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для на­ ружных стен обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и

дорог, -должен иметь марку

50, 100 и 200, а гидротехни­

ческий бетон — до 500.

Рассмотрим причины раз­

рушения пористого материа­

ла под влиянием совместного

действия на него воды и мо­

роза. Для

примера

возьмем

материал, находящийся в ог­

Рис.

1.6.

Распределение

темпера­

раждающей

конструкции

туры

в наружной стене здания (а)

и заполнение поры водой (б), вы­

(рис.

1.6). Зимой

наружная

деленной

вблизи

фасадной

грани

часть стены

промерзает. В

/ — адсорбированная

вода;

2 —

устье

поры; 3 — дождевая

вода;

это время происходит мигра­

4 — конденсат

ция

(перемещение)

пара

от

«тепла к холоду», т. е. пар

стремится наружу, поскольку

его давление при отрицатель­

ной

температуре

ниже,

чем

при

положительной. Напри­

мер,

давление

пара

при

150

200

-+-20 °С

2,33

кПа,

а

при

О

SO

WO

Циклы замораживания и оттаивания

—10 °С только 0,27 кПа.

сти бетона при его попеременном

Стремясь

выйти

наружу,

Рис. 1.7. Кривая изменения прочно­

водяной пар попадает в зону

замораживании

и оттаивании

низких температур и конден-

сируется в порах возле наружной грани стены. Таким об­ разом, поры наружной промерзающей части стены обво­ дняются, причем вода прибывает сюда как снаружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного па­ ра). При наступлении даже небольших морозов (от —5 до —8 °С) вода в крупных порах замерзает и при пере­ ходе в лед увеличивается в объеме на 9 % (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начи­ нается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, затем оно распространяется вглубь.

Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию пов­ торной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т. п.). Перед испытанием об­

разцы насыщают водой. После этого их замораживают в холодильной камере при температуре от —15 до —20 °С, чтобы вода замерзла в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с темпе­ ратурой 15—20 °С, которая обеспечивает водонасыщен­ ное состояние образцов.

Для оценки морозостойкости материала применяют физические методы контроля и прежде всего импульс­ ный ультразвуковой метод. С его помощью можно про­ следить изменение прочности или модуля упругости бе­ тона в процессе циклического замораживания (рис. 1.7) и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответст­ вует допустимому снижению прочности (kR) или моду­ ля упругости (ДЕ).

3. Теплофизические свойства

Теплопроводностью называют свойство материала передавать теплоту одной поверхности другой. Это свой­ ство является главным как для большой группы тепло­ изоляционных материалов, так и для материалов, приме­ няемых для устройства наружных стен и покрытий зда­ ний.

Тепловой поток проходит через твердый «каркас» и воздушные ячейки пористого материала. Теплопровод­ ность воздуха [А,=0,023 Вт/(м-°С)] меньше, чем твер­ дого вещества, из которого состоит «каркас» материала. Поэтому увеличение пористости материала является ос­ новным способом уменьшения теплопроводности. В мате­ риале стремятся создавать мелкие закрытые поры, чтобы снизить количество теплоты, передаваемой конвекцией и излучением. На практике удобно судить о теплопровод­ ности материала по его плотности (рис. 1.8). Известна формула В. П. Некрасова, связывающая теплопровод­ ность X [Вт/(м-°С)] с относительной плотностью камен­ ного материала d:

К = 1,16 F 0,0196 +	0,224* — 0,16.	(1.24)
Точное значение А, материала определяют		экспери­
ментально.
Влага, попадающая в поры материала, увеличивает
его теплопроводность, так	как теплопроводность воды