Материалы

К механическим свойствам материалов относится их способность сопротивляться разрушению или деформации (изменению формы и размеров под действием внешних нагрузок).
Такими свойствами являются прочность, упругость, растяжимость, твердость, хрупкость, пластичность, сопротивление удару, и гибкость.

Прочностью - называется способность материала противостоять разрушению под воздействием внешних сил, вызывающих в нем внутренние напряжения. Прочность материала характеризуется пределом прочности при трех видах воздействия на него — сжатии, изгибе и растяжении. Количественной характеристикой прочности является предел прочности, т. е. наибольшее напряжение, соответствующее нагрузке, при которой материал разрушается. Чтобы рассчитать предел прочности при сжатии Rсж, МПа, или растяжении Rрас, надо разрушающую силу Pmax, Н, разделить на первоначальную площадь сечения образца F0, см2: Rсж = Pmax/F0. Предел прочности при изгибе асбестоцементных волнистых листов определяют на испытательном устройстве любой конструкции с ценой деления шкалы не более 1% от его верхнего предела, погрешностью измерения +/-1% и средней скоростью нагружения 50 Н/с. Для испытания образец укладывают на опоры лицевой стороной вверх. Предел прочности при изгибе бизг вычисляют с погрешностью до 0,1 МПа по формуле бизг = (3Pl/2Lt2)10-6, где P — разрушающая нагрузка, Н; l — расстояние между осями опор, м (см); L — измеренный вдоль волны образец, м (см); t — измеренная толщина образца, м (см); 10-6 — коэффициент пересчета Па в МПа.

Упругость — способность материала изменять под действием нагрузки свою форму без признаков разрушения и восстанавливать ее в большей или меньшей степени после удаления нагрузки. Восстановление формы в зависимости от действующей силы может быть полным или неполным. Упругими являются и такие материалы, как сталь, дерево.

Растяжимость - оценивают максимальной длиной (см), на которую может растянуться нить материала без разрыва. Например, растяжимость при 25° С битумно-резиновой мастики МБР-65 и МБР-75 — 4, МБР-90 — 3, МБР-100 — 2 см, полиизобутиленового каучука — 100 см.

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость металлов, древесины, бетона и пластмасс (кроме пористых) определяют по глубине вдавливания в образец стального шарика, конуса или пирамиды или по диаметру полученного отпечатка. Твердость однородных (каменных) минералов определяют по десятибалльной шкале твердости. Это свойство материалов важно при устройстве полов и дорожных покрытий.

Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без заметной пластичной деформации. Хрупкие материалы: кирпич, природные камни, бетон, стекло и т. д.

Пластичность — свойство материала изменять под нагрузкой форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости. К пластичным материалам относят битум, глиняное тесто и др.

Сопротивление удару — способность материала противостоять разрушению под действием ударных нагрузок. Плохо сопротивляются ударным нагрузкам хрупкие материалы.

Гибкость — способность материала приобретать свою первоначальную форму без появления трещин и изломов после удаления деформирующих усилий.

Физические свойства материалов

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав материала.
К физическим свойствам материала относятся плотность, средняя плотность, пористость, водопоглощение, влагоотдача, гигроскопичность, водопроницаемость, водостойкость, влажность, газо- и паропроницаемость, морозостойкость, атмосферостойкость, теплопроводность, теплостойкость (температуроустойчивость), температура размягчения, звукопоглощение, огнестойкость, огнеупорность, укрывистость, вязкость, гибкость, адгезия, усадка или удлинение, и некоторые другие.

Плотность — отношение массы материала к его объему без пор и пустот (г/см3, кг/м3, т/м3) вычисляют по формуле p = m/V, где m — постоянная масса материала, г (кг или т); V — объем, занимаемый материалом, без пор и пустот, см3 (м3). Плотность твердых и жидких материалов сравнивают с плотностью воды. Наибольшая плотность воды при 4° С равна 1 г/см3, так как 1 см3 воды имеет массу 1 г.
Плотность материала бывает средней и истинной.
Средняя плотность определяется отношением массы тела (кирпича, камня и т.п.) ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. и выражается в соотношении кг/м3. Истинная плотность — это предел отношения массы к объему без учета имеющихся в них пустот и пор. У плотных материалов, таких как сталь и гранит, средняя плотность практически равна истинной, у пористых (кирпич и т. п.) — меньше истинной. Среднюю плотность pm (г/см3, кг/см3, т/м3) вычисляют по формуле pm = m/Vест, где m — масса материала в сухом состоянии, г (кг или т); Vест — объем материала в естественном состоянии, см3 (м3). Так как при определении средней плотности материала объем берется с учетом пор и пустот, имеющихся в материале, то средняя плотность не является величиной постоянной, а изменяется в зависимости от пористости материала. Плотность и средняя плотность некоторых строительных материалов приведены в табл. Большинство строительных материалов имеет поры, поэтому средняя плотность, как правило, меньше плотности. Среднюю плотность каждого материала определяют при влажности, установленной стандартом. Насыпная плотность определяется для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень). В объем таких материалов включают не только поры (маленькие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой) в них, но и пустоты (заполненный воздухом пространства между частицами материала) между зернами или кусками материалов.

Пористость — степень заполнения объема материала порами, исчисляемая в процентах. Пористость влияет на такие свойства материалов, как прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и др. Чем меньше пористость, тем больше прочность, морозостойкость, теплопроводность, но меньше водопроницаемость. По величине пор материалы разделяют на мелко-пористые, у которых размеры пор измеряются в сотых и тысячных долях миллиметра, и крупнопористые (размеры пор — от десятых долей миллиметра до 1—2 мм). Пористость определяют как общий объем пор в единице объема материала по формуле П=(1-pm/p)100%, где p — плотность, г/см3; pm — средняя плотность, г/см3.

Паропроницаемость — способность материалов пропускать водяные пары, содержащиеся в воздухе, под действием разности их парциальных давлений (парциальное давление - давление компонента идеальной газовой смеси. Парциальное давление водяного пара равно давлению, которое он оказывал бы, занимая весь объем смеси) на противоположных поверхностях слоя материала. С повышением температуры парциальное давление водяных паров увеличивается. Таким образом, водяные пары стремятся попасть в область меньшего давления, т. е. на сторону слоя материала с меньшей температурой. Этим объясняется увлажнение изоляции, применяемой для поверхности с отрицательными температурами. Влага, проникая в слой изоляции с теплой стороны, увлажняет изоляцию, а при температуре ниже нуля замерзает. Это вызывает ухудшение свойств изоляции и ее разрушение. Паропроницаемость характеризуется коэффициентом, который определяется количеством водяных паров в граммах, проходящим в течение 1 ч через слой материала площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности давлений водяного пара на противоположных поверхностях 133,3 Па. Размерность этого коэффициента — кг/(м*ч*Па).

Теплопроводность — свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий из-за разности температур на противоположных поверхностях. Количественным показателем теплопроводности различных тел служит коэффициент теплопроводности. Теплопроводность L измеряется количеством теплоты, проходящей за 1 ч через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 при разности температур на противоположных поверхностях образца 1° С. Теплопроводность выражается в Вт/(м*К) или Вт/(м*°С). Теплопроводность вычисляют по формуле L = qb/(tв-tн), где q — плотность потока теплоты через образец, Вт/м2; b — толщина образца, м; tв, tн — температура верхней и нижней поверхностей образца, °С или К. Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни — быстрее (например, металлы), другие — медленнее (теплоизоляционные материалы). Теплопроводность зависит от средней плотности и химико-минерального состава материала, его структуры, пористости, влажности и средней температуры материала. Чем больше пористость (меньше средняя плотность), тем ниже теплопроводность материала. С увеличением влажности материала теплопроводность резко увеличивается, т.е. снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. От теплопроводности зависит толщина стен и перекрытий отапливаемых зданий. Все теплоизоляционные материалы следует хранить в помещении или под навесом, а в процессе изоляции конструкций теплоизоляционный слой защищать покровным слоем.

Теплоемкость — количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1° С. Теплоемкость, отнесенная к единице массы, называется удельной теплоемкостью и выражается в Дж/(кг*К) или Дж/(кг*°С).

Теплостойкость (температуроустойчивость) — способность материала сохранять форму, не стекать и не сползать с поверхности конструкции под определенным уклоном и при определенной температуре. Она зависит в основном от физико-механических свойств и структуры материала, вида и количества наполнителя. Мастики, обладающие небольшой теплостойкостью, имеют большую гибкость, а мастики с высокой теплостойкостью — меньшую. Для получения мастик требуемой теплоемкости легко- и тугоплавкий битум сплавляют в различных соотношениях. Температура размягчения (ГОСТ 11506—73) оценивается температурой среды, при которой вяжущее вещество (например, битум), залитое в кольцо заданных размеров, размягчается и под действием массы металлического шарика выдавливается из него, касаясь контрольного диска (основания) аппарата. Этот условный показатель характеризует изменение вязкости веществ при повышении температуры. Например, температура размягчения кровельных битумов (ГОСТ 9548—74) БНК 45/180 - 40...50° С, БНК 90/140 и БНК 90/30 — 85...95° С. Температурой вспышки масла или нефтепродукта (ГОСТ 4333—87) называют температуру, при которой пары нефтепродукта, нагреваемого в открытом тигле, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Температура вспышки битума БНК 45/180 и БНК 90/40 — не ниже 240° С.

Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. По объему водопоглощение всегда меньше 100%, а по массе может быть более 100%, например у теплоизоляционных материалов. Насыщение материала водой ухудшает его основные свойства, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, уменьшает прочность. Водопоглощение зависит от плотности материала и строения пор. Для уменьшения водопоглощения искусственных материалов при их изготовлении стремятся получить равномерно распределенные мелкие замкнутые поры. Водопоглощение выражают относительным числом или в процентах и вычисляют по формулам: Wм = [(m2-m1)/m1]100%; Wоб = [(m2-m1)/Vест*pH2O]100%, где m1 — масса материала в сухом состоянии, г; m2 — масса материала в насыщенном водой состоянии, г; Vест — объем материала в сухом состоянии, см3; pH2O - плотность воды, г/см3.

Водопроницаемость — способность материала пропускать через себя воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом водопроницаемости Кв., эта характеристика определяется количеством воды, прошедшей при постоянном давлении в течение 1 часа через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м. К водонепроницаемым относятся особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).

Водостойкость — способность материала длительное время сохранять прочность при предельном водонасыщении. Водостойкость численно характеризуется коэффициентом размягчения, определяемым по формуле Кразм = Rнас/Rсух, где Rнас — предел прочности материала в насыщенном водой состоянии, Rсух — предел прочности сухого материала. Коэффициент размягчения материалов колеблется от 0 (необожженные керамические материалы) до 1 (стекло, сталь, битум). Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относятся к водостойким. Их разрешается применять в строительных конструкциях, возводимых в воде, и в местах с повышенной влажностью.

Влажность — степень увлажнения материала, зависящая от влажности окружающей среды, структуры и свойств самого материала. Для оценки влажности пользуются показателем влажности — отношением количества влаги, содержащейся в материале, к массе материала в абсолютно сухом состоянии. Влажность материала определяют в % по формуле W = [(m2-m1)/m1]/100, где m1 — масса сухого образца, г; m2 — масса влажного образца, г. С увеличением влажности средняя плотность и теплопроводность строительных материалов повышаются, а прочность снижается.

Гигроскопичность — свойство пористых материалов поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичные материалы (древесина, теплоизоляционные материалы, кирпичи полусухого прессования и др.) могут поглощать большое количество воды. При этом увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. Для некоторых материалов в условиях повышенной и даже нормальной влажности приходится применять защитные покрытия. А такие материалы, как кирпич сухого прессования можно использовать только в зданиях и помещениях с пониженной влажностью воздуха.

Влагоотдача — это свойство материала терять находящуюся в его порах влагу. Влагоотдача характеризуется процентным количеством воды, которое материал теряет за сутки (при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре +20 °С). Влагоотдача имеет большое значение для многих материалов и изделий, например стеновых панелей и блоков, которые в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря водоотдаче высыхают — вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т.е., пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

Атмосферостойкость — способность материала длительное время сохранять свои первоначальные свойства и структуру после совместного воздействия погодных факторов (дождя, света, воздуха, облучения и колебаний температуры) — оценивается временными показателями (час, сутки, месяц, год) или в баллах по специальной шкале.

Морозостойкость — это способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без снижения прочности и массы, а также без появления трещин, расслаивания, крошения. Для возведения фундаментов, стен, кровли и других частей здания, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, необходимо применять материалы повышенной морозостойкости. Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, с водопоглощением не более 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение при выборе материалов для ограждающих конструкций и наружной отделки.

Звукопоглощением называется способность материала ослаблять интенсивность звука при прохождении его через материал. Звукопоглощение зависит от структуры материала: сообщающиеся открытые поры поглощают звук лучше, чем замкнутые. Лучшими звукоизолирующими показателями обладают многослойные стены и перегородки с чередующимися слоями пористых и плотных материалов.

Укрывистость — способность материала при минимальном расходе образовывать на окрашиваемой поверхности сплошную пленку. Единицей измерения укрывистости является расход материала в граммах на 1 м2 окрашиваемой поверхности.

Адгезия — сопротивление отрыву или сдвигу материала, нанесенного на изолируемую поверхность. Например, адгезия битумно-найритовой композиции при отрыве от бетонной поверхности достигает 0,5 МПа. Адгезия к бетону холодной асфальтовой мастики ИИ-20 при 20° С составляет 0,23 МПа, а при предварительной огрунтовке пастой — 0,43 МПа.

Газопроницаемость - материала характеризуется количеством газа, проходящего через образец определенного размера при заданном давлении. Строительные материалы с большой пористостью обладают повышенной газопроницаемостью, хотя на степень газопроницаемости влияет не только суммарное значение пористости, но размер и характер пор. Для устранения этого явления в ограждающих конструкциях устраивают газонепроницаемые слои.

Усадка или удлинение — изменение линейных размеров материала под воздействием изменения температуры, влажности, солнечной радиации или в результате процессов, происходящих в материале (старение, вулканизация, полимеризация). Для рулонных кровельных материалов (изол и др.) характерны относительное и остаточное удлинения.

Огнестойкость — это свойство материалов противостоять действию высоких температур. По степени огнестойкости материалы делят на несгораемые, трудно-сгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы (кирпич, бетон, сталь) под действием огня или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, но могут сильно деформироваться. Трудносгораемые материалы (фибролит, асфальтовый бетон и т.д.) тлеют и обугливаются, но после удаления источника огня эти процессы прекращаются. Сгораемые материалы (дерево, рубероид, пластмассы и т. д.) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть и после удаления источника огня. Конструкции из сгораемых материалов можно сделать трудносгораемыми или несгораемыми, защитив их несгораемыми материалами. Пределы огнестойкости конструкций определяются временем в часах от начала испытания конструкции на огнестойкость до возникновения сквозных трещин, повышения температуры на необогреваемой поверхности до 140...180° С или обрушения конструкции.

Огнеупорность — свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию высоких температур. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, выдерживающие действие температур до 1580 °С и выше (шамотный кирпич), тугоплавкие, выдерживающие действие температур 1350-1580 °С (тугоплавкий кирпич), легкоплавкие, размягчающиеся или разрушающиеся при температуре ниже 1350 °С (керамический кирпич).

Температура стеклования — температура, при которой материал становится хрупким. Температура стеклования битума БНК 90/40 не выше - -20° С, а битума БНК 90/30 — не выше -10° С. Существует единый метод определения температуры стеклования, заключающийся в фиксировании температуры, при которой появляются трещины в слое, например, битума, нанесенном на стальную пластинку, охлаждаемую с постоянной скоростью и подвергаемую периодическому изгибу.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 

К химическим свойствам материалов относятся химическая, биологическая стойкость и растворимость.

Химическая стойкость — способность материалов противостоять разрушающему действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов, органических растворителей (ацетона, бензина, масел и др.). Химическая стойкость характеризуется потерей массы материала при действии на него агрессивной среды в течение определенного времени. Кислотостойкими являются материалы, представляющие собой соли сильных кислот (азотной, соляной, кремнефтористой), а также некоторые синтетические материалы. Кислотостойкими материалами являются поливинилхлоридные и специальные керамические плитки, а также стекло (но оно не обладает стойкостью к действию фтористоводородной и плавиковой кислот). Кислотостойкими материалами отделывают некоторые промышленные сооружения, например отстойники. Щелочестойкими должны быть материалы, которыми отделывают промышленные сооружения, подвергающиеся воздействию щелочей, а также пигменты (красители), употребляемые для окрашивания кровли. Материалы, применяемые в жилищном строительстве, должны быть стойкими в основном к углекислому газу и сероводороду, так как эти газы могут содержаться в воздухе в больших количествах, особенно вблизи промышленных предприятий. Поэтому для окрашивания металлических кровель нельзя употреблять пигменты, в состав которых входят свинец или медь; такие пигменты вступают в реакцию с сероводородом и чернеют.

Биологическая стойкость — свойство материалов и изделий сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий. Органические материалы или неорганические на органических связках под действием температурно-влажностных факторов могут разрушаться вследствие развития в них микроорганизмов, вызывающих гниение и разрушающих материалы в процессе эксплуатации. Так, в Средней Азии материалы, содержащие битум, разрушаются под действием микроорганизмов, которые для своего развития поглощают органические составляющие битума. Для придания кровельным материалам биологической стойкости в их состав при производстве вводят специальные химические вещества — антисептики. В процессе транспортирования и хранения материалы должны быть защищены от увлажнения.

Растворимость — способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других растворителях. Растворимость может быть и положительным, и отрицательным свойством. Например, если в процессе эксплуатации синтетический облицовочный материал разрушается под действием растворителя, растворимость материалов играет отрицательную роль. При приготовлении холодных битумных мастик используется способность битумов растворяться в бензине. Это дает возможность наносить материал на поверхность тонким слоем, и поэтому растворимость в данном случае является положительным свойством.