Свойства портландцемента. Основные свойства строительных материалов (стр. 3 из 6)
Все свойства строительных материалов можно условно разделить на физические, химические, механические и технологические.
Физическиесвойства в свою очередь подразделяют на общефизические, характеризующие структуру материала, гидрофизические, теплофизические и акустические.
Кобщефизическим свойствамотносятся: истинная плотность, средняя плотность и пористость материала.
Многие строительные материалы, в частности бетоны – капиллярнопористые тела.
Истинная плотность (r) – масса единицы объема вещества в абсолютно плотном состоянии, без пор и пустот.
Согласно СТБ 4.211-94
, (1)где r – истинная плотность, кг/м3; т – масса, кг; V– объем, занимаемый веществом, м3.
Для многокомпонентных композиционных материалов определяют средневзвешенное значение истинной плотности:
r=Srcimi/Smi,
где rci - плотность i-го компонента бетона (например, плотность: кварцевого песка- rc1=2650 кг/м3, цементных новообразований- rc2=3100 кг/м3, вспученного перлитового песка (ВПП)- rc3=2000 кг/м3);mi - содержание i-го материала в бетоне.
Истинная плотность большинства строительных материалов больше единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С). Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300 кг/м3; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 – 1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м3.
Средняя плотность (rср) – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии с пустотами и порами
, (2)где
– средняя плотность, кг/м3; т – масса материала (изделия) в естественном состоянии, кг; V– объем материала (изделия), м3.Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем определяют путем вычислений по измеренным геометрическим размерам; если же образец неправильной формы, – по объему вытесненной жидкости.
Для сыпучих материалов (песок, цемент, щебень, гравий) определяют насыпную плотность.
Насыпная плотность (rн) – масса единицы объема сыпучих материалов в свободном (без уплотнения) насыпном состоянии. Формула расчета и размерность показателя те же, что в (1) и (2). В единицу объема таких материалов входят не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объему, называют пустотностью.
Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м3 (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м3 у тяжелого бетона и 7850 кг/м3 у стали.
Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчетах транспортных средств, подъемно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем выше средняя плотность, тем прочнее материал.
Для пористых строительных материалов истинная плотность больше средней плотности. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.
Важной характеристикой строительных материалов является их общая пористость (П).
Поры бывают открытыми и условно закрытыми или замкнутыми. При этом
Пп=П1+П2,
где П1, П2 – доля, соответственно, открытых(капиллярных) и закрытых пор.
По величине истинной и средней плотности рассчитывают общую пористость (Пп) материала в % (ГОСТ 12730.1-78)
(3)Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в воду открытые поры полностью или частично, что зависит от размера пор, заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может.
Открытую или капиллярнуюпористость (Wо) определяют, как и влажность по объему, по водонасыщению материала под вакуумом или кипячением его в воде
, (4)где т – масса образца в сухом состоянии, г; m1 – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; V– объем образца, см3.
Общая пористость различных по назначению материалов изменяется в широком диапазоне. Так, для тяжелого, прочного конструкционного бетона – 5 – 10 % , кирпича, который как стеновой материал должен обеспечить прочность, легкость стеновой конструкции и пониженную теплопроводность, – 25 – 35 % , для эффективного теплоизоляционного материала пенопласта – 95 %.
Большое влияние на свойства материалов оказывают не только величина пористости, но и размер пор, их характер (например, ячеистые поры – 0,2-10 –4 см; капиллярные – 10 –4 – 10 –5 см; гелевые поры – 10 -6 см).
При увеличении объема замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким, но в то же время он приобретает акустические свойства.
Влажность по массе материала определяется из выражения:
,где: mв – масса образца в увлажненном состоянии,
mс – масса образца, высушенного до постоянной массы.
Влажность материала по объему при его средней плотности ρопределяется из выражения:
Wo=ρ. Wm
Из статистической физики известно, что в реальных средах всегда есть флуктуации физических величин (плотности, температуры и т.д.). Наличие флуктуаций приводит к неоднородности и анизотропии параметров качества формовочной смеси и строительных материалов.
Существенное значение при оценке качества сухих и влажных сырьевых смесей имеет фактор статистической макрооднородности.
Значения конкретного статистического параметра качества (В) зависят от координат точки, в которой производится измерение. В общем случае параметр Dі может быть вычислен, например, по формуле:
Dі=Ві min/Ві max,
где Ві min, Ві max – соответственно, минимальное и максимальное значения параметров качества бетона в одном направлении.
Микро(нано)неоднородность материала бетона является причиной анизотропии его свойств.
Коэффициент анизотропии (Аj) как характеристика микроструктуры в конкретной точке материала может быть вычислен, например, по формуле:
Аj=Вj1/Вj2,
где Вj1, Вj2 – значения параметров качества бетона в различных направлениях.
Для определенности под параметром Аj будем понимать отношение между значениями параметров качества во взаимно перпендикулярных направлениях. Отсюда следует, что, например, коэффициент анизотропии прочности можно вычислить по формуле («точка» имеет размеры испытываемого образца)
АR=R1/R2<1.
где R1, R2 - значения прочности во взаимно перпендикулярных направлениях (одно из направлений совпадает с осью Z).
Гидрофизические свойствапроявляют материалы и изделия при контакте с водой. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, водонепроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.
Гигроскопичность – свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности (при условии равной общей пористости и одинакового вещественного состава), следовательно, гигроскопичность выше. Этот процесс является обратимым и зависит от влажности воздуха. При снижении влажности часть гигроскопичной влаги испаряется.
В зависимости от вещественной природы материала гигроскопичность различна. Одни материалы притягивают к своей поверхности молекулы воды (острый угол смачивания) и называются гидрофильными – бетон, древесина, стекло, кирпич; другие, отталкивающие воду (тупой угол смачивания), – гидрофобными: битум, полимерные материалы.
Характеристикой гигроскопичности служит отношение массы влаги, поглощенной материалом из воздуха, к массе сухого материала, выраженное в %.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется это свойство количеством воды, поглощенной высушенным до постоянной массы материалом, полностью погруженным в воду, выраженным в % от массы (водопоглощение по массе) – Wм(СТБ 4.2306-94) или в % от объема (водопоглощение по объему или открытая пористость) – Wо
, (5)Водопоглощение по объему рассчитывают по формуле (4). Этот показатель зависит от объема, природы пор (замкнутые, открытые) и степени гидрофильности материала. Так, водопоглощение гранита составляет 0,02 – 0,7 %, тяжелого бетона 2 – 4 %, кирпича 8 – 15 %. В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются средняя плотность и теплопроводность, объем изделий. Вследствие нарушения связей между частицами материала проникающими молекулами воды прочность его снижается.
Отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, Rвк пределу прочности при сжатии в сухом состоянии Rсназывается коэффициентом размягчения Кразм