5. Параметры состояния материалов

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его свойства, - это плотность и пористость.

Истинная плотность p материала характеризуется массой единицы объема материала, причем имеется в виду объем только твердого вещества, из которого состоит материал Vтв без учета объема пор и пустот: р = m/Vтв. Иными словами, истинная плотность - это плотность вещества, из которого состоит материал. У непористых материалов (стекло, сталь, битум) средняя плотность равна истинной. Истинная плотность каждого вещества - постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Значения истинной плотности вещества зависят в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом они различаются незначительно.

Средняя плотность pm материала - физическая величина, определяемая отношением массы m материала ко всему занимаемому им объему V, включая имеющиеся в них поры и пустоты: pm = m/V. Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы можно получать с заданной (требуемой) плотностью, изменяя их структуру. Многие материалы за исключением металла, стекла, мономинералов являются пористыми.

Пористость - это степень заполнения объема материала порами: П = (Vпор / V)* 100 (%)

Строение пористого материала характеризуется общей открытой и закрытой пористостью. Распределение пор по их радиусам и удельной внутренней поверхностью пор. Эксперементальный метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или др. средой. Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 98%.

Открытая пористость может быть 3х видов:

Гелевая - это непрореагировшие с водой частицы цементного клинкера. За счёт продукции гидратации цементных минералов.

Капилярная - возникает за счёт образования пустот при перемешивании цементного теста.

Контракционная - возникает из-за уменьшения суммарного объёма твердеющей системы(химическая усадка или контракция).

6. Гидрофизические свойства.

1) Гигроскопичность- способность материала поглощать водяные пары из воздуха.

Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор. Этот физико-химический процесс называют сорбцией, он является обратимым; обратный процесс- десорбция.

2) Водопоглощение - способность материалов впитывать и удерживать в своих порах влагу — характеризуется максимальным количеством воды, которое может поглотить абсолютно сухой материал.

Водопоглощение определяют по отношению к массе сухого материала (водопоглощение по массе Wm) или по отношению к естественному объему материала (объемное водопоглощение Wv): Wm = [(m₂ – m₁)/m₁] · 100 %; Wv =  [(m₂ – m₁)/Vест] · 100 %, где m1 - масса материала в сухом состоянии, г; m₂ — масса насыщенного водой материала, г.

Водопоглощение колеблется в очень широких пределах от 0,02-0,07% у гранита до 7-8% у бетона.

Это свойство материалов используют для оценки структуры вещества.

Методика определения водопоглащения: отобранные образцы высушивают до постоянной массы, взвешмвают. Затем укладывают на ло­жок в сосуд с водой, имеющей температуру 20 + 5° С, в один ряд на подкладки так, чтобы толщина слоя воды над кирпичами была не менее 2см, но не более 10см, чтобы не создать значительного давления воды. После выдерживания в во­де в течение 48 часов кирпичи вынимают из сосуда, обтирают мягкой влажной тканью и взвешивают.

3) Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры. Усадкой (усушкой) называют уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений. Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений. Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой, мм/м: Древесина (поперек волокон)- 30-100 до Гранит- 0,02-0,06

4) Морозостойкость- свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9% '(плотность воды равна 1, а льда — 0,917). При этом давление на стенки пор может достигать при некоторых условиях сотен МПа. Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Однако у многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.

При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными.. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80 % объема пор (&н<0,8). Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при —15, —17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Выбор температуры замораживания не выше —15, —17 СС вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в СНиПах и ГОСТах на материалы.

Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренный метод, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при ее высыхании в порах образцов воспроизводит механическое    действие   замерзающей   воды, но в более сильной степени, так как образующиеся кристаллы крупнее (значительное увеличение объема). Один цикл таких испытаний приравнивается 5...10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. С некоторым приближением о морозостойкости можно косвенно судить по величине коэффициента размягчения. Большое понижение прочности вследствие размягчения материала (больше 10 %) указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на морозостойкости материала