Структурные характеристики и параметры состояния материалов

Лекция 2 СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ Основными структурными характеристиками материала являются плотность и пористость; основным параметром состояния – влажность. Истинная плотность ρ (кг/м3) – масса единицы объема материала в виде минерального скелета. Она является физической константой вещества: у природных (песок, гранит, известняк) и искусственных (кирпич, бетон, стекло) каменных материалов – 2500…3000 кг/м3; у органических (битум, полимеры, масла) материалов – 800…1200 кг/м3; у древесины – 1500 кг/м3; у металлов – различная; у воды (истинная и средняя) – 1000 кг/м3. Средняя плотность ρср (кг/м3) – масса единицы объема материала в естественном состоянии (включая поры и пустоты). Она меняется в зависимости от структуры материала: например, для бетона – 500…2500 кг/м3. Пористость (%) – степень заполнения объема материала порами П = [(ρ – ρср)/ρ] · 100 = (1 – ρср/ρ)100 Материал Плотность, кг/м3 Пористость, % истинная средняя Гранит 2700…2800 2600…2700 0,5…1 Тяжелый бетон 2600…2700 2200…2500 8…12 Кирпич 2500…2600 1400…1800 25…45 Древесина* 1500…1550 400…800 45…70 Пенопласты 950…1200 20…100 90…98 Пористость также характеризуется качественной стороны, т.е. по характеру пор: открытые-закрытые, мелкие-крупные, сообщающиеся-несообщающиеся. Пористость является основной структурной характеристикой материала, определяющей такие свойства как водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др. Влажность (%) – содержание влаги в материале в данный момент по отношению к единице массы материала в сухом состоянии Wm = [(mест – mсух)/ mсух] · 100 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Они характеризуют поведение материала под воздействием внешней среды (действие воды, высоких и низких температур и т.п.). Гидрофизические свойства. При увлажнении материала повышается его теплопроводность и средняя плотность, изменяется прочность и другие свойства. Гидрофильность и гидрофобность – свойства поверхности материала по отношению к воде. Мерой гидрофильности является энергия связи молекул воды с поверхностью вещества. Гидрофильные (от греч. phileo – люблю) материалы имеют высокую степень связи с водой (поверхность смачиваемая; капиллярные поры втягивают воду и поднимают на значительную высоту). Гидрофобные (от греч. phobos – страх) материалы имеют низкую степень связи с водой (поверхность несмачиваемая; вода не проникает в капиллярные поры, либо проникает в малой степени). Очень эффективными при обработке поверхности являются гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости (ГКЖ). Гигроскопичность – способность материала изменять свою влажность при изменении влажности воздуха. Процесс поглощения и конденсации водяного пара из воздуха на поверхности материала называется сорбцией. К сильно гигроскопичным материалам относятся древесина и гипс. Водопоглощение – способность материала поглощать влагу и удерживать её в своих порах. Оно характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образцом материала при выдерживании его в воде, отнесённым к массе сухого образца (водопоглощение по массе Wпm) или к его объему (объемное Wпо) Wпm = [(mнас – mсух)/mсух] · 100, % Wпо = Vводы/Vест = [(mнас – mсух)ρср]/ [ρводы · mсух] = Wпm[ρср/ρводы] Капиллярное всасывание (от лат. capillaris – волосяной) – способность материала всасывать и передавать по своей толще влагу с помощью тонких капиллярных пор. Гидрофильным материалом, способным к капиллярному всасыванию, является кирпич. Влагоотдача – способность материала терять находящуюся в его порах воду. Её определяют количеством воды, испаряющейся из образца материала в течение суток при температуре воздуха 20 0С и относительной влажности 60%. Влагоотдачу учитывают, к примеру, при сушке стен зданий (желательна высокая) и уходе за твердеющим бетоном (желательна низкая). Паропроницаемость – способность материала пропускать водяные пары при наличии разницы абсолютной влажности воздуха (парциального давления пара в воздухе) по обе стороны материала. Она оценивается коэффициентом паропроницаемости Кп, г/(м·с·Па). Необходимая степень паропроницаемости конструкции достигается правильным выбором материалов и их взаимным расположением в конструкции. Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. Морозостойкость материала зависит от его пористости и водопоглощения. Она характеризуется числом циклов замораживания (при t ≤ -180C) и оттаивания (в воде), которое материал выдерживает без снижения прочности, потери массы или проявления внешних повреждений, указанных в ГОСТе на данный материал. По морозостойкости материалы подразделяют на марки: F15, F25, F35, F50, F100 и т.д. Теплофизические свойства Теплопроводность – способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной поверхности к другой в случае различия температур этих поверхностей. Она характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с. Теплопроводность твердого вещества зависит от его химического состава и молекулярного строения, но во всех случаях намного превышает теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м·К)). Поэтому, чем больше в материале пор (воздуха), тем ниже его теплопроводность. Материал Средняя плотность, кг/м3 Пористость, % λ, Вт/(м·К) Гранит 2600…2700 1…0,5 ~3 Бетон тяжелый 2200…2500 12…8 1,1…1,3 Кирпич обыкновенный 1600…1800 33…28 0,7…0,8 Пенополистирол 2…50 98…95 0,03…0,035 Средняя плотность материала, как и теплопроводность, обратно пропорциональна пористости, поэтому может служить косвенной характеристикой теплопроводности и использоваться в качестве марки материала по теплопроводности. Теплопроводность воды в 25 раз выше, чем у воздуха, поэтому теплопроводность увлажненного материала резко возрастает. При замерзании воды в порах теплопроводность увеличивается в ещё большей степени, т.к. лёд в 4 раза более теплопроводен, чем вода. Теплоёмкость – способность материала поглощать теплоту при нагревании. Показателем является удельная теплоёмкость – количество теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 К (для большинства природных и искусственных каменных материалов – (0,7…1) · 103 Дж/(кг · К); для древесины – 1,8…2,2 Дж/(кг · К). Температуропроводность – свойство материала, характеризующее скорость распространения температуры под действием теплового потока в нестационарных температурных условиях (например, при пожаре). Она прямо пропорциональна теплопроводности λ и обратно пропорциональна теплоёмкости материала С и его средней плотности ρср а = λ/(С · ρср), м2/с Тепловое расширение – свойство материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Оно характеризуется температурными коэффициентами объемного и линейного расширения. В строительстве чаще используется коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР), показывающий на какую долю первоначальной длины увеличится размер материала в рассматриваемом направлении при повышении температуры на 1 К. Материал КЛТР · 10-6, 1/К Материал КЛТР · 10-6, 1/К Сталь 10…12 Стекло 9 Бетон 10…12 Медь 17 Алюминий 24 Полиэтилен 300…500 Керамическая плитка 6 Поливинилхлорид (ПВХ) 50…80 В конструкциях, объединяющих несколько материалов, необходимо учитывать тепловое расширение каждого. При жестком соединении материалов с разными КЛТР в конструкциях могут возникнуть большие напряжения. Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня (сгорание) и воды (растрескивание) в условиях пожара. По степени огнестойкости различают несгораемые, трудносгораемые и сгораемые материалы. Несгораемые материалы (бетон, кирпич и др.) под действием открытого огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. Некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, стальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются. Трудносгораемые материалы (фибролит, асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина) под действием огня медленно воспламеняются; после удаления огня их горение и тление прекращается. Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня. Для повышения огнестойкости сгораемых материалов используют антипирены – вещества, которыми пропитывают или покрывают материал. При воздействии открытого огня они выделяют газы, не поддерживающие горение, либо под воздействием высокой температуры образуют пористый защитный слой на материале, замедляющий нагрев. Огнеупорность – способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформации и размягчения. Огнеупорные материалы получают по керамической технологии (формование, сушка, обжиг) из различных сырьевых компонентов. Их разделяют на огнеупорные (температура размягчения 1580…1770 0С), высокоогнеупорные (1770…2000 0С) и высшей огнеупорности (>2000 0С). По химико-минеральному составу выделяют: - кремнеземистые; - корундовые (на основе Al2O3); - алюмосиликатные; - магнезиальные (на основе MgO); - хромитовые; - графитовые (углеродистые). Выбор огнеупора производят по двум критериям: температуре размягчения и и стойкости к рабочей среде. Наибольшее применение в строительстве имеют кремнеземистые и алюмосиликатные огнеупоры. Кремнеземистые огнеупоры (основной компонент SiO2) по строению могут быть стеклообразные (кварцевое стекло) и кристаллические (динасовые огнеупоры). Кварцевое стекло работает при температурах до 1000 0С; при более высоких температурах кристаллизуется и крошится. Динасовые огнеупоры применяют при температурах до 1600…1700 0С; они содержат не менее 93% SiO2 в виде модификаций тридимита или кристобалита. Их используют для кладки сводов стеклоплавильных и стекловаренных печей. Алюмосиликатные огнеупоры делят на три группы: полукислые, шамотные и высокоглиноземистые. Полукислые огнеупоры применяют при температурах до 1580…1700 0С; их получают обжигом кварцевых пород на глиняной связке (SiO2>65%, Al2O3<28%). Шамотные огнеупоры применяют при температурах до 1500 0С; их получают обжигом смеси шамота и огнеупорной глины (30…35% Al2O3). Используются в стекловаренной и цементной промышленности. Высокоглиноземистые огнеупоры содержат более 45% Al2O3; получают из бокситов. Их огнеупорность увеличивается с содержанием Al2O3 (при 60% и более глинозёма составляет 2000 0С). Применяют для кладки доменных и стекловаренных печей. Для обеспечения высокотемпературной тепловой изоляции используют легковесные огнеупоры с ρср = 400…1300 кг/м3 и пористостью 85…45%. Их использование снижает расход топлива (в 2…3 раза) и продолжительность разогрева печей (в 3…4 раза). Акустические свойства материалов Это свойства, связанные с взаимодействием материала и звуковых волн – механических колебаний, распространяющихся в твёрдых, жидких и газообразных средах. Звукопроводность – способность материала проводить звуковые волны через свою толщу. Она обратно пропорциональна массе материала и также зависит от его строения. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, имеющие бОльшую удельную поверхность, на которой рассеивается энергия падающих звуковых волн. Звукопоглощение – способность материала поглощать и отражать падающие на него звуковые волны. Оно зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают бОльшую часть падающих звуковых волн (эффект зеркала). Поверхность, имеющая открытые поры, поглощает падающие звуковые волны (мягкая мебель, ковры).