Гидрофизические свойства материалов кратко
Обновлено: 15.07.2024
Гигроскопичность. Гигроскопичность представляет собой свойство строительных материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Она зависит от вида, количества и размера пор, от природы материала, от температуры воздуха и его относительной влажности. Когда влажность снижается, часть гигроскопичной влаги испаряется. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности, и следовательно, выше гигроскопичность. Строительные материалы, притягивающие своей поверхностью воду, называют гидрофильными; материалы, отталкивающие воду называют гидрофобными.
Водопоглощение. Водопоглощение является способностью материала впитывать и удерживать воду. Величина водопоглощения характеризуется разностью между массой образца, насыщенного водой и массой сухого образца. Водопоглощение строительных материалов изменяется в зависимости от объема пор, их размеров и вида. Различают объемное водопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.
Массовое водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Так, массовое поглощение обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20 %, бетона - 2 - 3 %, торфоплит - 100 % и больше. Вода, попавшая в поры материала, увеличивает его объемную массу и теплопроводность, уменьшает морозостойкость и прочность. Некоторые строительные материалы, в частности, затвердевшие глиняные растворы, разрушаются в воде.
Водопроницаемость. Водопроницаемость является свойством материала, характеризующим его способность пропускать воду под давлением. Она характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м кв. площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Это свойство учитывают при строительстве дамб, мостов, плотин и других гидротехнических сооружений. Сталь, стекло, большинство пластмасс, битум и другие плотные материалы водонепроницаемы.
Влагоотдача. Влагоотдача представляет собой способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха. Чем разность больше, тем интенсивнее происходит высушивание. На влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества.Строительные материалы с крупными порами, а также гидрофобные материалы легче отдают воду, чем гидрофильные и мелкопористые. Влагоотдача строительного материала в естественных условиях характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 ОС.
Воздухостойкость. Воздухостойкостью называется способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Бетон, керамика и другие природные и искусственные каменные строительные материалы, а также надводные части гидросооружений, дорожные покрытия, сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются из-за возникновения растягивающих напряжений.
Во время эксплуатации отделочных материалов на них воздействует масса всевозможных факторов, одним из которых является вода (как в виде жидкости, так и в виде водяного пара). Следовательно, гидрофизические свойства строительных материалов должны быть хорошо известны при отделке помещений, в противном же случае возможны весьма неприятные последствия.
Все строительные материалы можно разделить на две большие группы: в первую относятся те, которые смачиваются водой (гидрофильные), во вторую те, которые водой не смачиваются (их называют гидрофобными). В качестве примера гидрофильных строительных материалов можно привести керамику или минеральную штукатурку, а в группу с гидрофобными входит большинство полимеров. Определяется тип материала очень просто – по капле воды: в том случае, если мы будем иметь дело с гидрофильным веществом, угол, образованный стороной капли и поверхностью материала, будет больше 90°, а если вещество гидрофобное, угол окажется меньше 90°.
Рассмотрим некоторые гидрофизические свойства строительных материалов более подробно и начнём мы с гигроскопичности – способности гидрофильных пористых материалов поглощать частицы воды из воздуха, наполненного её парами. Гигроскопичность строительных материалов можно охарактеризовать количеством влаги, поглощённой из воздуха – этот параметр называют сорбционной или гигроскопичной влажностью и его можно определить по нижеприведённой формуле:
Характеризующая гигроскопичность формула расшифровывается следующим образом:
mвл – это масса материала во влажном состоянии, г.
mсух – масса материала в сухом состоянии, г.
Сорбционная влажность становится выше, если в помещении увеличивается влажность воздуха и понижается его температура.
Гигроскопичность строительных материалов бывает различной – к примеру, у гипса она довольно высокая: это вещество способно хорошо поглощать избыточную влагу в воздухе, а затем при её недостатке в окружающей среде отдавать обратно, регулируя таким образом влажностной режим. В большинстве же случаев гигроскопичность строительных материалов негативно сказывается на их свойствах (скажем, древесина разбухает, а некоторые виды обоев теряют свой внешний вид).
Если пористый материал своей поверхностью касается воды, то имеет место, так называемое капиллярное всасывание.
Способность строительного материала впитывать в себя влагу посредством капиллярного всасывания и впоследствии её в себе удерживать принято называть водопоглощением. Зависит водопоглощение от того, насколько много пор содержится в материале, а также от их размера и вида.
Различают водопоглощение по массе и водопоглощение по объёму. Объёмное водопоглощение характеризует степень заполнения объёма исследуемого материала водой и рассчитывается с помощью нижеприведённой формулы:
которая расшифровывается следующим образом: mнас является массой насыщенного влагой образца материала (г), mсух – массой сухого образца материала (г), Ve – объём, который имеет образец материала в естественном состоянии (см3). Объёмное водопоглощение достигает максимум 100% и позволяет оценить лишь открытую пористость исследуемого образца материала (вода не может проникнуть в закрытые поры).
Водопоглощение по массе рассчитывается согласно следующей формуле:
Водопоглощение по массе может превышать 100%.
Гидрофизические свойства строительных материалов включают в себя также влагоотдачу –способность материала отдавать при определённых условиях влагу, заполняющую его поры, в окружающую его среду. Чтобы определить влагоотдачу материала, необходимо узнать, сколько жидкости (в %) испарится из образца за 24 часа при относительной влажности воздуха в 60% и его температуре в 20°С. Масса воды, которая испарилась за сутки при данных условиях, определяется вычетом из массы образца до начала опыта массы этого же образца после окончания опыта.
В том случае, если строительный материал насыщается водой, происходит его разбухание, а если он высыхает и становится меньше в размерах, то этот процесс называется усадкой (либо усушкой). Если пористый отделочный материал долгое время периодически сначала увлажняется, потом высыхает, он разрушается, покрывается трещинами и становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Впрочем, существует ряд материалов, которые хорошо выдерживают постоянные изменения своей влажности – в данном случае речь идёт о воздухостойких материалах.
Некоторые строительные материалы способны пропускать через себя пары воды либо воздух (происходит это тогда, когда с двух сторон материала создаётся разное давление). Коэффициент газопроницаемости (либо паропроницаемости) характеризуется количеством воздуха (либо водяного пара), который проходит сквозь метровый слой материала с площадью 1 м2 в течение 60 минут при разности давлений равной 10 Па.
Далее поговорим о таком свойстве, как водостойкость строительных материалов.
Водостойкость строительных материалов – это их способность выполнять свои функции даже при увлажнении. Для того, чтобы определить противоположный водостойкости параметр, рассчитывают коэффициент размягчения, представляющий собой отношение предела прочности при сжатии насыщенного влагой материала к пределу прочности сухого материала.
Обязательно стоит принимать во внимание водостойкость строительных материалов, если конструкции из них планируется эксплуатировать во влажной среде, ибо пористый, хорошо набирающий в себя воду материал, всегда становится менее прочным.
Коэффициент размягчения строительных материалов может варьироваться в промежутке от 0 до 1. Высокая водостойкость строительных материалов характеризуется коэффициентом размягчения равным 0,8 и более. К слову, абсолютно водостойким материалом является стекло (коэффициент размягчения равен 1), а совсем неводостойкими – глины (коэффициент размягчения равен 0).
Если строительный материал не только насыщается водой, но ещё при этом и замораживается, его разрушение происходит быстрее. Способность материала во влажном состоянии выдерживать без снижения его эксплуатационных характеристик периодическое замораживание и оттаивание называется морозостойкостью. Чем больше открытых пор у материала, тем сильнее данный материал реагирует на мороз.
Методы определения морозостойкости для разных видов материалов различны, однако один из них мы всё же приведём (метод по ГОСТ 10060.0-95). Согласно этому методу сначала производится насыщение образцов материала водой (24 , 72 или 96 ч), затем происходит замораживание данных образцов на воздухе (температура (-18 ± 2)°С, минимум 4 часа) и их оттаивание в воде (температура (18 ± 2)°С, не менее 4 часов). Насыщение материала водой является предварительной стадией, а замораживание и оттаивание представляют собой один цикл.
Марка по морозостойкости (F) – это число таких циклов, после которого материал остаётся почти таким же прочным, как и до испытаний (95% для тяжёлого бетона, 85% для большей части других материалов, 75% для строительных растворов), на нём не видно следов разрушений, а его масса не изменяется.
Увлажнение отрицательно влияет на прочность и теплопроводность материалов. При наличии перепада влажности (ΔW) возможна диффузия воды в материале (массоперенос).
Гигроскопичность – способность капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.
Поглощение водяного пара обусловлено молекулярной адсорбцией на поверхности твердых фаз и капиллярной конденсацией. Эти процессы называются сорбцией и имеют обратимый характер. Гигроскопичность капиллярно-пористого материала характеризуется его максимальным влагосодержанием (Wmax ), равным отношению массы поглощенной влаги из воздуха к массе сухого материала при относительной влажности воздуха, равной 100 % и заданной температуре (например, 20 °С). Гигроскопичность зависит от объема капиллярных пор и среднего радиуса капилляров. Чем выше капиллярная пористость и меньше средний радиус капилляров, тем выше Wmax. Сорбция водяного пара приводит к снижению прочности и повышению теплопроводности материала.
Водопоглощение – способность материала поглощать и удерживать в порах воду. Определяют путем насыщения водой предварительно высушенного материала.
Водопоглощение по массе, Вм , %:
объемное водопоглощение Bо характеризует интегральную пористость (Пи) материала.
Водостойкость - способность материала не изменять прочность при насыщении водой. Водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения
По величине коэффициента размягчения Kp строительные материалы подразделяются на две группы: неводостойкие - Kp ≤ 0,75 и водостойкие - Kp ≥ 0,75.
Значение Kp изменяется в пределах от 0 (глина) до 1 (стекло). Снижение прочности обусловлено сорбцией воды на поверхности твердых фаз.
Воздухостойкостъ - способность материала не изменять свои свойства при периодическом гигроскопическом увлажнении и высыхании.
Сорбция воды вызывает деформации усадки и набухания материала, что может привести к снижению прочности.
Водонепроницаемость - способность материала не пропускать воду под давлением. Характеризуется максимальным давлением воды (в атм), которое выдерживает материал без фильтрации.
Способность материала пропускать воду под давлением называется водопроницаемостью. Характеризуется коэффициентом фильтрации, Кф, м/ч, который равен количеству воды в м3, проходящий через материал площадью 1 м2, толщиной 1 м в течение 1 ч, при разности гидростатического давления 1 м водяного столба. Водопроницаемость обусловлена открытой (интегральной) пористостью материала Пи и определяется для бетонов гидротехнических сооружений.
Паропроницаемость - способность материала пропускать водяной пар. Характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который равен количеству водяного пара в м3, проходящего через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 ч, при разности парциальных давлений водяного пара ΔP-133,3 Па. Паропроницаемость учитывают при возведении стен и потолков помещений с повышенной влажностью.
Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии сохранять прочность при многократном попеременном замораживании и оттаивании (табл. 1.2).
В зависимости от числа циклов замораживания и оттаивания, которые выдержал материал устанавливается его марка по морозостойкости (F15, F25, . ). При этом допускается снижение прочности не более, чем на 5 % (бетон), 25 % (керамика) и изменение массы - не более, чем на 5 %.
Цикл испытания включает замораживание насыщенного водой образца при температуре — (18±2) °C в морозильной камере и последующее оттаивание в воде комнатной температуры.
Разрушение образца и снижение прочности обусловлены напряжениями, возникающими при переходе воды в лед, давлением растущих кристаллов льда на стенки пор.
Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.
С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличении относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность данного материала (рис. 5). Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха количество адсорбированного газа
где р — давление газа при достижении равновесия; k и п — эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при определенной температуре.
В логарифмических координатах это уравнение выражается отрезком прямой
Кривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка А на рис. 5).
Рис. 5. Изотерма адсорбции
Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности материала происходит вследствие капиллярной конденсации. В узких капиллярах материала, который хорошо смачивается водой (древесина, кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхностью. В результате пар, не достигший давления насыщения по отношению к плоской поверхности, может быть пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких капиллярах и будет конденсироваться в них.
Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность воздушно-сухой древесины составляет 12 — 18%, стеновых материалов 5 — 7% но массе. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.
Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее надземной части.
Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.
Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена
где — поверхностное натяжение; в — краевой угол смачивания; г — радиус капилляра; р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.
Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону
где К — константа всасывания.
Уменьшение интенсивности всасывания (т. е. значения К) отражает улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его морозостойкости.
Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20±2°С. Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бетона может быть 50 — 60%, а его водопоглощение составляет 20 — 30% объема.
Водопоглощение определяют по объему и массе.
Водопоглощение по объему W0 (%) — степень заполнения объема материала водой:
где тв — масса образца материала, насыщенного водой, г; тс — масса образца в сухом состоянии, г.
Водопоглощение по массе WM (%) определяют по отношению к массе сухого материала
Разделив почленно на W0/WM, получим (%)
причем объемная масса сухого материала у выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина).
Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02 — 0,7%, тяжелого плотного бетона — 2 — 4%, кирпича — 8 — 15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.
Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой kH, равный отношению водопоглощения по объему к пористости:
Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда
Уменьшение kH (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.
Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается объемная масса, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.
Коэффициент размягчения kp — отношение прочности материала, насыщенного водой RB, к прочности сухого материала Rc
Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением.
Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление (в кгс/см2), при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже кф, тем выше марка по водонепроницаемости.
С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.
Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.
При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным условиям.
Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.
В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (например, газоубежища).
Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от структуры материала (объемной массы и пористости) (табл. 3).
Таблица 3 Относительные значения паро- и газопроницаемости (за 1 принята проницаемость кирпича)
Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.
Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.
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:
Вид материала Усадка, мм/м
Древесина (поперек волокон) 30 — 100
Ячеистый бетон 1 — 3
Строительный раствор 0,5 — 1
Кирпич глиняный 0,03 — 0,1
Тяжелый бетон 0,3 — 0,7
Гранит 0,02 — 0,06
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.
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 (потери 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 зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз50, Мрз100 и Мрз200, а гидротехнический бетон — до Мрз500.
Рис. 6. Распределение температуры в наружной стене здания (а) и заполнение поры водой (б), выделенной вблизи фасадной грани: 1 — адсорбированная вода; 2 — устье поры; 3 — дождевая вода; 4 — конденсат
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 водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре от — 15 до — 20°С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15 — 20°С, что обеспечивает водонасыщенное состояние образцов.
Для оценки морозостойкости все шире применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод.
Рис. 7. Кривая изменения прочности бетона при попеременном замораживании и оттаивании
С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замораживания (рис. 7) и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности (AR) или модуля упругости (АЕ).
Читайте также: