Показники істинної та середньої густини деяких будівельних матеріалів

Матеріал	Істинна густина, г/см^3	Середня густина, кг/м^3
Граніт	2,65...2,80	2600...2800
Базальт	2,80...3,30	28ОО...ЗЗОО
Бетон важкий	2,60...2,70	2000...2500
Бетон легкий	2,60...2,70	500...2000
Цегла керамічна звичайна	2,65...2,70	16ОО...18ОО
Каміння керамічне порожнисте	2,65...2,70	1000...1600
Скло	2,45...2,65	2450...2650
Піноскло	2,45...2,65	180...800
Мінеральна вата	2,4...2,7	75...150
Сталь	7,80...7,85	7800...7850
Алюміній	2,70	2700
Дуб	1,55	700...900
Сосна	1,55	400...600
Пінопласт	0,9...1,2	15...75

Пористість П - це ступінь заповнення об'єму матеріалу порами. Її виражають у процентах або у частках одиниці (коли загальний об'єм матеріалу приймають за одиницю).

Істинна, або загальна пористість П_і - це сумарний об'єм всіх пор (відкритих і закритих) по відношенню до загального об'єму матеріалу.

Її можна оцінювати в частках одиниці або у процентах. Істинну пористість обчислюють за формулою

або

Значення істинної пористості коливаються в широких межах, %: скло, сталь-0, цегла керамічна - 30...40; граніт, ліпарит - 0,2...0,8; важкий бетон -, легкий бетон - 35...85; поропласти - 85...95.

Відкрита, або уявна пористість П_в - відносний об'єм пор матеріалу, які сполучаються із зовнішнім середовищем; її можна визначити як відношення сумарного об'єму всіх пор, насичених водою, до загального об'єму матеріалу:

де m_н, m_с- маса матеріалу відповідно у насиченому водою та у сухому стані, г; р_в - густина води, г/см³; V— об'єм матеріалу в природному стані, см³.

Закрита пористість відносний об'єм пор матеріалу, які не сполучаються із зовнішнім середовищем:

П_з = П_і - П_в

Пористість є важливою характеристикою, оскільки з нею пов'язані такі технічні властивості матеріалу, як міцність, водопоглинання, морозостійкість, теплопровідність тощо. Легкі пористі матеріали мають зазвичай невелику міцність і велике водопоглинання, щільні (П_і=0...0,8%) - значну міцність і незначне водопоглинання.

Проте, крім кількості пор у матеріалі, на його властивості істотно впливає також характер пористості. Матеріали можуть бути крупнопористими з розмірами пор від 10^-1 до 3 мм і дрібнопористими з розмірами пор 10^-2...10^-6мм. Самі пори можуть бути закритими, тобто недоступними для заповнення водою, і відкритими.

Будівельні матеріали навіть із значною пористістю, але з невеликими або переважно закритими порами мають невелике водопоглинання і значну морозостійкість, тоді як матеріали з таким самим числовим показником пористості, але з відкритими порами не можуть застосовуватися у місцях з високою вологістю.

Таким чином, вибираючи матеріал для різних за призначенням споруд та умов експлуатації, необхідно орієнтуватися не лише на числове значення пористості, а й на будову пор.

Щільність - це ступінь заповнення об'єму матеріалу твердою речовиною. Якщо матеріал у природному стані займає об'єм V, а в абсолютно щільному - V_а, виражатиме щільність матеріалу в частках або у процентах :

,

але ,

а ,

тоді щільність дорівнюватиме:

,

або в процентах

,

Тобто щільність являє собою відношення середньої густини матеріалу до його істинної густини. Тому:

П_і+Щ=1 або П_і+Щ=100%

Пустотність - характеризується наявністю порожнин (пустот) у будівельних матеріалах (порожниста цегла, панелі) або між зернами в сипких матеріалах (пісок, щебінь) і визначається в процентах від загального об'єму виробу чи матеріалу.

Пустотність виробів сприяє зниженню маси будівельних конструкцій і поліпшенню теплозахисних властивостей.

Пустотність можна обчислити за тими самими формулами, що й пористість.

Щільність, пористість та пустотність в значному ступеню визначають такі властивості матеріалів, як водопоглинення, водонепроникність, морозостійкість тощо.

2. Щ -

   (1.14)

   100%,

   Рв

   Гідрофізичні властивості будівельних матеріалів

Водопоглинання — властивість матеріалу вбирати й утримувати в собі воду. Щоб визначити водопоглинання, зразок матеріалу поступово занурюють у воду й утримують там до досягнення ним сталої маси.

Водопоглинання за масою W_м визначають як відношення кількості поглинутої води m_в до маси сухого матеріалу m_с:

Де m_н, m_с – маса матеріалу у насиченому та сухому стані, г

Водопоглинання за об'ємом W_м характеризується ступенем наповненості пор матеріалу водою при насиченні, виражається відношенням об’єму поглинутої води V_в до загального об’єму матеріалу в природному станіV:

де р_в – густина води, г/см³

Водопоглинання за об'ємом завжди менше 100%, а за масою для дуже пористих матеріалів (теплоізоляційних) з відкритими порами може значно перевищувати 100%, що має місце, наприклад, для пінополіуретану.

Таким чином, водопоглинання матеріалу пов'язане з показником середньої густини, залежить від характеру пористості й коливається в широких межах для різних будівельних матеріалів, % за масою: для керамічної цегли - 8...20, важкого бетону - 2...6, вапняку - 1,5...З, граніту - 0,02...0,70. Насичення матеріалів водою істотно позначається на інших властивостях: підвищується середня густина, теплопровідність, знижується міцність, морозостійкість.

Вологість W - вміст вільної води в порах і на поверхні матеріалу. Вологість визначають у процентах за масою або об'ємом. Вона може бути абсолютною або відносною.

Абсолютну вологість Wа визначають як відношення маси вологи, яка знаходиться у матеріалі, до маси сухого матеріалу:

ш _

"а ~

а відносну Wв, - як відношення маси вологи до маси матеріалу у вологому стані:

№ m_в, m_с - маси, відповідно, вологого та сухого матеріалу, г.

Вологість матеріалу в будівельних конструкціях залежить від вологості нав­колишнього середовища, атмосферних явищ (дощ, танення снігу). Із зволоженням погіршуються теплозахисні властивості, морозостійкість та інші показники.

Будівельні матеріали і вироби під час транспортування, зберігання і експлуатації знають дії води або водяної пари.

При цьому капілярно-пористі матеріали зволожуються за рахунок поглинання вологи з оточуючого повітря або при безпосередньому контакті з водою. Тому будівельні матеріали у спорудах зазвичай перебувають у зволоженому стані.

Гігроскопічність - це властивість матеріалу поглинати і конденсувати водяну пару з повітря. Здебільшого це негативно впливає на будівельні матеріали. Наприклад, портландцемент при тривалому зберіганні, внаслідок гігроскопічності, поступово грудкується і втрачає свою активність.

Вологовіддача (швидкість висихання) - це здатність матеріалу віддавати воду при зміні температури та вологості навколишнього середовища. Ця здатність характеризується інтенсивністю втрати вологи за добу при відносній вологості навколишнього повітря 60% і температурі 20°С (293,15 К).

Коли матеріал обдувається сухим повітрям, волога дифундує з матеріалу, кількість її знижується доти, доки не настане рівновага між показниками воло­гості матеріалу й навколишнього повітря. Матеріал у такому стані характеризу­ється як повітряно-сухий.

Водопроникність - це здатність матеріалу пропускати крізь себе воду при певному гідростатичному тиску. Вона є окремим проявом узагальненої власти­вості матеріалу - проникності, під якою розуміють здатність матеріалу пропус­кати крізь себе потік будь-якої речовини (води, пари), теплоти, електроенергії тощо.

Водопроникність - негативна властивість покрівельних, гідроізоляційних та інших матеріалів. Наприклад, вода, яка фільтрується крізь товшу бетону, може вимивати продукти його тверднення, вносити шкідливі речовини, що знижує міцність бетону і може повністю його зруйнувати.

Гідрофобність - це здатність матеріалу не змочуватися водою (відштовхува­ти воду). Проникнення води крізь пори, що мають гідрофобну внутрішню повер­хню, значно ускладнене, хоча вони легко пропускають повітря та водяну пару. Гідрофобність матеріалів визначається насамперед хімічною природою їхньої поверхні та рідини, що змочує її, тобто фаз, які взаємодіють. До гідрофобних матеріалів належать парафін, жирові мастила, бітум і т.п.

Гідрофобізація - це процес надання здатності матеріалам відштовхувати во­ду шляхом обробки їхньої поверхні гідрофобізаторами (спеціальними поверхне­во-активними речовинами). Гідрофобізація сприяє підвищенню водонепроник­ності, водо- та морозостійкості, збереженню кольору та фактури будівельних ма­теріалів.

Деформації усадки або набухання - це здатність матеріалу змінювати свій об'єм зі зміною вологості, що може бути причиною структурних напружень у матеріалі.

Набухання - властивість матеріалу збільшувати об'єм внаслідок вбирання води, розраховується у частках одиниці або процентах від початкового об'єму матеріалу. З зменшенням вологості (при висиханні) деякі матеріали дають усадку, тоб­то зменшуються в об'ємі та розмірах (наприклад, паркет), оскільки частинки ма­теріалу зближуються під дією капілярних сил.

Через нерівномірність висихання у матеріалі (наприклад, цегли-сирцю) можуть виникати тріщини. Навперемінні зволоження й висихання можуть призвес­ти навіть до руйнування матеріалу.

Морозостійкість - це здатність матеріалу витримувати у водонасиченому стані багаторазове навперемінне заморожування й відтавання без суттєвих втрат міцності і маси.

Допустимі втрати міцності та маси після випробування на морозостійкість для різних матеріалів наведені у відповідних нормативних документах.

Під дією від'ємних температур вода у крупних порах замерзає, перетворюючись на лід зі збільшенням об'єму приблизно на 9%, що призводить до виник­нення тиску на стінки пор, який становить біля 210 МПа при температурі -20°С. При цьому в матеріалі з'являються внутрішні напруження, які можуть спричинити його руйнування, особливо, якщо коефіцієнт водопоглинання наближається до одиниці, тобто всі пори відкриті.

Щоб визначити морозостійкість, зразки матеріалу насичують водою, а далі піддають навперемінному заморожуванню при температурі - (18±2)°С і відтаванню у воді з температурою (18±2)°С до певного числа циклів, встановленого нормативними документами, або до початку руйнування зразка.

Найбільш морозостійкими є щільні матеріали з низьким водопоглинанням, однорідні за структурою й такі, що мають високий коефіцієнт розм'якшення. Пористі матеріали вважають морозостійкими, якщо ступінь їх заповнення всіх доступних пор (відкриті пори) становить 80...85%. Коефіцієнт розм'якшення морозостійких матеріалів має бути не нижчим 0,9.

За морозостійкістю будівельні матеріали поділяють на марки.

Марка за морозостійкістю F - це число циклів навперемінного заморожування та відтавання цілих виробів або зразків з матеріалів у насиченому вологою (або розчином солей) стані при збереженні ними початкових фізичних та фізико-механічних властивостей у нормованих межах. Залежно від призначення до матеріалів висувають різні вимоги щодо морозостійкості. Так, рядова цегла повинна мати марку не менше F15, облицювальні - не менше F25, облицювальні вироби з граніту, габро, базальту - не менше F50, бетон гідротехнічних споруд - не менше F200 тощо.

Іноді морозостійкість характеризують коефіцієнтом морозостійкості К_мрз:

де R₂, R₁ - границі міцності при стиску зразків матеріалу у водонасиченому стані відповідно після випробовування на морозостійкість та до заморожування.