→ Определения структурных характеристик
Морозостойкость
Морозостойкость
Многие строительные конструкции (стены и фундаменты зданий, устои мостов, покрытия дорог) подвергаются совместному действию влаги и знакопеременных температур, которые постепенно приводят их к разрушению. Причина разрушения - расширение (примерно на 9%) воды при замерзании.
Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Испытание строительных материалов на морозостойкость заключается в цикличном попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и определении потери материалом массы и прочности. Замораживание и последующее оттаивание образца составляет один цикл; продолжительность цикла не должна превышать 24 ч. Количество циклов испытания принимают в соответствии с ГОСТом на материал. Так, бетон, применяемый для сооружения стен зданий, должен выдерживать 35…50 циклов, а бетон для гидротехнических сооружений – 300 циклов и более.
Выдержавшими испытание на морозостойкость считаются те материалы, которые после установленного для них ГОСТом числа циклов замораживания - оттаивания не имеют видимых признаков разрушения (не крошатся, не растрескиваются, не расслаиваются). Кроме того, потери прочности и массы образцов не должны превышать значений, установленных ГОСТом на данный материал. Например, для бетона потеря прочности при испытании на морозостойкость не более 5%, для кирпича и строительных растворов не более 25%; потеря массы при испытании кирпича не должна превышать 5%.
Испытывают материалы на морозостойкость на установках с холодильными машинами, создающими низкие температуры за счет испарения сконденсированных (сжатых и переведенных в жидкое состояние) газов: аммиака, фреона и т. п.
Во фреоновой компрессорной холодильной установке (рис. 3.5) жидкий фреон под давлением 0,5…0,8 МПа из ресивера через дроссель поступает в испаритель. Сечение труб испарителя значительно больше, чем сечение дросселя, в результате давление фреона в испарителе резко падает (до 0,05…0,1 МПа) и фреон, испаряясь, переходит в газообразное состояние. Этот процесс происходит с поглощением теплоты, поэтому в холодильной камере, где помещен испаритель, температура понижается до -16…-20°С. Из испарителя пары фреона поступают в компрессор, где они вновь сжимаются до 0,5…0,8 МПа, при этом температура фреона повышается. Затем в конденсаторе фреон охлаждается окружающим воздухом или водой, конденсируется и в жидком виде поступает в ресивер.
Морозостойкость различных материалов определяют как на целых изделиях, так и на образцах, специально изготовленных или высверленных из изделий. Форма и размеры образцов различных материалов определяются ГОСТами на эти материалы.
Образцы измеряют и взвешивают в состоянии, которое предусматривается стандартом, и укладывают в ванну для насыщения водой. Насыщенные водой образцы слегка обтирают тканью, повторно взвешивают и помещают в холодильную камеру при температуре не выше -16 °С. В камере образцы укладывают на металлический поддон с интервалами между ними для лучшего охлаждения. Если образцы размещают в несколько рядов по высоте, то их укладывают на подкладках толщиной не менее 20 мм. Общий объем загруженных в камеру образцов должен составлять не более 50% объема камеры.
Замороженные образцы вынимают из камеры и укладывают для оттаивания в ванну с водой при температуре 18…20°С. После полного оттаивания образцы вынимают из ванны, обтирают мягкой тканью, осматривают и вновь помещают в холодильную камеру. Через установленное стандартом для данного материала число циклов образцы после очередного оттаивания в воде взвешивают и испытывают на прочность.
Морозостойкость материала может быть определена ускоренными методами, заключающимися, например, в насыщении образцов материала в растворе сульфата натрия (п. 10.6) или путем глубокого (до -60 °С) их замораживания (п. 12, 13).
В строительном материаловедении понятие морозостойкость связывают с воздействием на материал двух основных факторов:
– влияние низких температур (для абсолютно плотных материалов, таких как стекло, металлы полимерные материалы и др.);
– совокупное влияние низких температур и воды (для материалов мелкопористой структуры, таких как природные и искусственные каменные материалы, в том числе строительная керамика, бетоны, растворы и др.).
Таким образом, для плотных материалов морозостойкость – способность материала сохранять эксплуатационные свойства при низких температурах. К таким материалам предъявляются требования в зависимости от условий их эксплуатации. В большинстве случаев основным требованием является сохранение целостности структуры.
Механизм разрушения структуры материала при перепадах температуры связан с явлением расширения – сжатия и изменением упругих свойств материала. При низких температурах материал становится более хрупким, ломким, резко снижается ударная прочность. Это в большей степени относится к полимерным материалам и металлам.
Для оценки морозостойкости полимеров на практике часто используют условный коэффициент морозостойкости, который определяют по формуле
Кмрз= RТ / R20,
где Кмрз –коэффициент морозостойкости, ед.;
RT и R20 – предел прочности при изгибе образцов, соответственно, при температуре эксплуатации и при 20ºС, МПа.
Морозостойкость природных и искусственных каменных материалов – способность материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности.
Разрушительное воздействие мороза на ограждающую конструкцию можно условно разделить на три основных периода: водонасыщения, промерзания и, собственно, разрушения.
В наиболее влажный период года происходит водонасыщение поверхностного слоя ограждающей конструкции.
При понижении температуры окружающей среды наружные слои конструкции постепенно охлаждаются, направляя фронт распространения низких температур внутрь конструкции.
Тем временем, водяной пар, находящийся в противоположной зоне конструкции, перемещается от тепла к холоду, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Попадая в зону низких температур, водяной пар конденсируется в порах, вблизи наружной поверхности ограждающей конструкции (рис. 4.29).
При наступлении даже небольших морозов (-5 ÷ -8 ºС) вода, находящаяся в крупных порах, замерзая и превращаясь в лед, создает напряженное состояние в материале.
Рис. 4.29. Распределение температуры в наружной стене здания (а) и заполнение пор водой (б) вблизи наружной поверхности: 1 – адсорбированная вода; 2 – конденсат; 3 – устье; 4 – дождевая вода
Водостойкость - способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой: Она оценивается коэффициентом размягчения К РАЗМ, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии R В МПа, к пределу прочности сухого материала R сух, МПа:
Количественно водостойкость оценивают обычно по массе воды (в %), поглощенной образцом (по т. наз. водопоглощению), или по относит. изменению к.-л. показателей (чаще всего линейных размеров, электрич. или мех. св-в) после определенного времени пребывания в воде. Как правило, водостойкость характеризуют коэфф. разупрочнения Кр (отношение величины прочности при растяжении, сжатии или изгибе насыщенного водой материала к соответствующему показателю его в сухом состоянии). Водостойкими считают материалы, у к-рых Кр больше 0,8. К ним относят, напр., многие металлы, спеченную керамику, стекло.
Водопроницаемость - способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м2 поверхности материала при заданном давлении воды. Для определения водопроницаемости используют различные устройства, позволяющие создавать нужное одностороннее давление воды на поверхность материала. Методика определения зависит от назначения и разновидности материала. Водопроницаемость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше его водопроницаемость.
Водонепроница́емость (англ. Water tightness ) - характеристика материала, измеряемая в СИ в метрах или паскалях и показывающая, при достижении каких значений гидростатического давления этот материал теряет способность не впитывать и не пропускать через себя воду.
Определение водонепроницаемости по «мокрому пятну»;основан на измерении максимального давления при котором через образец не просачивается вода;
Определение водонепроницаемости по коэффициенту фильтрации; основан на определении коэффициента фильтрации при постоянном давлении по измеренному количеству фильтрата и времени фильтрации;
Ускоренный метод определения коэффициента фильтрации (фильтратометром);
Ускор-ый метод определения водонепр-ти бетона по его воздухопр-ти.
Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.
Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.
Испытания материалов на морозостойкость проводят методом попеременного замораживания и оттаивания образцов. Температура замораживания должна быть (-20± 2) °С. Оттаивание следует проводить в воде при температуре 15 – 20 °С. Для определения морозостойкости обычно применяют аммиачные холодильные установки.
Образцы-кубики или цилиндры размерами не менее 5 см (для однородных материалов 3 и неоднородных 5 штук) маркируют и с помощью лупы и стальной иглы проверяют, нет ли на их поверхности трещин, повреждений и т.д. Образцы насыщают водой до постоянной массы и взвешивают, затем помещают в холодильную камеру и выдерживают в ней при (-20 2)°С в течение 4 часов. По истечении этого времени их извлекают из холодильника и опускают для оттаивания в ванну с водой комнатной температуры на 4 часа. После оттаивания образцы осматривают для обнаружения повреждений. В случае появления трещин или отколов испытание прекращают. Если дефектов не наблюдается, испытание продолжают, вновь помещая образцы в холодильную камеру на 4 часа.
Последовательному замораживанию, оттаиванию и осмотру образцы подвергают столько раз, сколько предусмотрено нормативным документом для испытываемого материала.
После окончания испытаний образцы протирают влажной тканью и взвешивают. Потерю массы вычисляют по формуле, %:
,
(10)
где m – масса образца, высушенного до испытания, г;
m 1 – то же, после испытания, г.
Материал считается выдержавшим испытание, если после установленного нормативным документом числа циклов замораживания и оттаивания он не имеет видимых признаков разрушения и теряет не более 5 % массы. Этот метод требует специального оборудования и больших затрат времени. Если необходимо быстро оценить морозостойкость материала, применяют ускоренный метод, используя раствор сернокислого натрия.
Ускоренный метод
Подготовленные образцы сушат до постоянной массы, взвешивают, маркируют и на 20 часов погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия при комнатной температуре. Затем их помещают на 4 часа в сушильный шкаф, в котором поддерживается температура 115 °С. После этого образцы охлаждают до нормальной температуры, снова на 4 часа погружают в раствор сернокислого натрия и опять помещают в сушильный шкаф на 4 часа. Такое попеременное выдерживание образцов в растворе сернокислого натрия и высушивание повторяют 3, 5, 10 и 15 раз, что соответствует 15, 25, 50 – 100 и 150 – 300 циклам замораживания и оттаивания. Этот метод основан на том, что насыщенный раствор сернокислого калия проникая в поры материала при высушивании, переходит в пересыщенный и кристаллизуется, увеличиваясь в объеме. При этом возникают напряжения, значительно превышающие напряжения, вызываемые замерзающей водой. Поэтому 1 цикл ускоренных испытаний приравнивается к 5 – 20 циклам обычных
ИЛИ ДРУГОЙ ВАРИАНТ:
Материал считается морозостойким, если после установления числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15-25 %, а потери в массе в результате выкрашивания не превысили 5 %. Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15, -17°С и оттаивания при температуре 20°С. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении и от климатических условий. По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания, и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяются на марки Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более. В лабораторных условиях замораживание производят в холодильных камерах. Один-два цикла замораживания в холодильной камере дают эффект, близкий к 3-5-годичному действию атмосферы.
При выборе марки материала по морозостойкости учитывают вид строительной конструкции, условия ее эксплуатации и климат в зоне строительства. Климатические условия характеризуют среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного похолодания и потепления по данным многолетних метеорологических наблюдений. Мороз-сть легких бетонов, кирпича, керамических камней для наружных стен зданий находится обычно в пределах 15-35, бетона для строительства мостов и дорог-50-200, для гидротехнических сооружений - до 500 циклов. От морозостойкости зависит долговечность строит. материалов в конструкциях, подвергающихся действию атм. факторов и воды.
Конструкции с повышенными требовательными по морозостойкости : гидротехнические конструкции (сваи, мосты). Открытыйбассейн, открытые сооруж водоснабжения, канализации,
Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений - трещин, выкрашивания (потеря массы не более 5%).
От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды. Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений. Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку 50, 100 и 200, а гидротехнический бетон - до 500.Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.
Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т.п.) перед испытанием образцы насыщают водой. После этого их замораживают в холодильной камере от -15 до -20С, чтобы вода замерзла в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15-20С, которая обеспечивает водонасыщенное состояние образцов. Базовые - первый (для всех видов бетонов, кроме бетонов дорожных и аэродромных покрытий) и второй (для бетонов дорожных и аэродромных покрытий); ускоренные при многократном замораживании и оттаивании - второй и третий;ускоренные при однократном замораживании - четвертый (дилатометрический) и пятый (структурно-механический).
Для оценки морозостойкости материала применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод. С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замораживания и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности или модуля упругости.
По морозостойкости насыщенный водой глиняный обыкновенный кирпич должен выдерживать без каких-либо внешних признаков разрушения (расслоение граней, выкрашивание ребер и углов, растрескивание) не менее 15 повторных циклов попеременного замораживания при температуре -75°С и ниже с последующим оттаиванием в воде при температуре 15±5°С.
Легковесный кирпич должен выдерживать без каких-либо временных признаков разрушения не менее 10 повторных циклов попеременного замораживания при температуре -15°С и ниже с последующим оттаиванием при температуре 15 ±5°С.
Лицевой кирпич должен выдерживать без каких-либо признаков видимых повреждений не менее 25 повторных циклов попеременного замораживания с последующим оттаиванием в воде.
Способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения плотности. Разрушение происходит в связи с тем, что вода, находящаяся в порах, при замерзании увеличивается в объеме примерно на 9 %. Наибольшее расширение воды при переходе в лед наблюдается при температуре -4°С, дальнейшее понижение температуры не вызывает увеличения объема льда. При замерзании воды стенки пор испытывают значительное давление и могут разрушаться. При полном заполнении водой всех пор разрушение материала может произойти даже при однократном замораживании. При насыщении пористого материала водой заполняются в основном макрокапилляры, микрокапилляры заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания. Следовательно, морозостойкость строительных материалов определяется величиной и характером пористости и условиями их эксплуатации.
Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Плотные материалы морозостойки. Из пористых материалов морозостойкостью обладают только те материалы, у которых в основном имеются закрытые поры или вода. Занимает менее 90 % пор. Материал считается морозостойким, если после установления числа циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии прочность его снизилась не более чем на 15-25 %, а потери в массе в результате выкрашивания не превысили 5 %. Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при -15, -17°С и оттаивания при температуре 20°С. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении и от климатических условий. По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания, и оттаивания (степени морозостойкости) материалы подразделяются на марки Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и более. В лабораторных условиях замораживание производят в холодильных камерах. Один-два цикла замораживания в холодильной камере дают эффект, близкий к 3-5-годичному действию атмосферы.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Свойство материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м площадью 1 м2 в течение 1 секунды при разностях температур на противоположных поверхностях материала в 1°С. Теплопроводность материала находится в прямой зависимости от его химического состава, пористости, влажности и температуры, при которой происходит передача тепла. Волокнистые материалы имеют разную теплопроводность в зависимости от направления теплоты по отношению к волокнам (у древесины, например, теплопроводность вдоль волокон в два раза больше, чем поперек волокон). Мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами обладают большей теплопроводностью, чем крупнопористые материалы и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос теплоты конвекцией, что и повышает суммарную теплопроводность.
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, поскольку вода имеет теплопроводность в 25 раз большую, чем воздух. Еще больше возрастает теплопроводность сырого материала с понижением его температуры, поскольку теплопроводность льда в несколько раз больше, чем теплопроводность воды. Теплопроводность материала имеет огромное значение при устройстве ограждающих конструкций зданий - стен, потолков, полов, крыш. Легкие и пористые материалы мало теплопроводны. Чем выше объемный вес материала, тем выше его теплопроводность. Например, коэффициент теплопроводности тяжелого бетона объемным весом 2400 кг/м3 равен 1,25 ккал/м-ч-град, а пенобетона объемным весом 300 кг/м3 всего 0,11 ккал/м-ч-град.
ТЕПЛОЕМКОСТЬ
Свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. При последующем охлаждении материалы с высокой теплоемкостью выделяют больше теплоты. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, полов, потолков и других частей помещения температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время.
Коэффициент теплоемкости - количество теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на ГС. Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью (4,2 кДж/(кг°С)). С увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.
Теплоемкость материала имеет значение в тех случаях, когда необходимо учитывать аккумуляцию тепла, например при расчете теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий с целью сохранения температуры в помещении без резких колебаний при изменении теплового режима, при расчете подогрева материала для зимних работ, при расчете устройства печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя объемную удельную теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагревания 1 м3 материала на ГС.
ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ
Свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Характеризуется количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы (водопоглощение по массе).
Количество поглощенной образцом воды, отнесенное к его объему, - водопоглощение по объему. Водопоглощение по объему отражает степень заполнения пор материала водой. Так как вода проникает не во все замкнутые поры и не удерживается в открытых пустотах, объемное водопоглощение всегда меньше истинной пористости. Объемное водопоглощение всегда меньше 100 %, а водопоглощение по массе может быть более 100 %.
Водопоглощение строительных материалов изменяется главным образом в зависимости от объема пор, их вида и размеров.
В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются плотность и водопроводность, у некоторых материалов (например, древесины, глины) увеличивается объем. Вследствие нарушения связей между частицами материала и проникающими частицами воды понижается прочность строительных материалов.
КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМЯГЧЕНИЯ
Отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии. Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала. Для легко размокаемых материалов, например глины, коэффициент размягчения равен 0. Для материалов, которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды (металл, стекло и т.п.), коэффициент размягчения равен 1. Материалы с коэффициентом размягчения более 0,8 относятся к водостойким. В местах, подверженных систематическому увлажнению, применять строительные материалы с коэффициентом размягчения менее 0,8 не разрешается.
ВЛАГООТДАЧА
Свойство, характеризующее скорость высыхания материала при наличии условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдача характеризуется количеством воды, которое материал теряет за сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20°С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после окончания строительных работ, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим или воздушно-влажным равновесием.
ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ
Способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 секунды через 1 м2 поверхности материала при давлении 1 МПа. Плотные материалы (сталь, стекло, большинство пластмасс) водонепроницаемы. Методика определения водопроницаемости зависит от разновидности строительного материала. Водопроницаемость находится в прямой зависимости от плотности и строения материала - чем больше в материале пор и чем они крупнее, тем больше водопроницаемость. При выборе кровельных и гидротехнических материалов чаще всего оценивается не водопроницаемость, а водонепроницаемость, характеризуемая периодом времени, по истечению которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением или предельной величиной давления воды, при котором вода не проходит через образец.
ВОЗДУХОСТОЙКОСТЬ
Способность материала длительно выдерживать многократное систематическое увлажнение и высыхание без значительных деформаций и потери механической прочности. Изменение влажности влечет у многих материалов изменение их объема - разбухают при увлажнении, дают усадку при высыхании, трещины и т.д. Разные материалы по-разному ведут себя по отношению к действию переменной влажности. Бетон, например, при переменной влажности склонен к разрушению, так как цементный камень при высыхании сжимается, а заполнитель практически не реагирует - в результате возникает растягивающее напряжение, цементный камень отрывается от заполнителя. Для повышения воздухостойкости строительных материалов применяют гидрофобные добавки.
ВЛАЖНОСТНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ
Изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при высыхании называют усадкой или усушкой, увеличение - разбуханием.
Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, утолщают их гидратные оболочки. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (например, ячеистый бетон 1-3 мм/м; тяжелый бетон 0,3-0,7 мм/м; гранит 0,02-0,06 мм/м; кирпич керамический 0,03-0,1 мм/м.
