Валов В.М. Введение в специальность. Проектирование зданий

Подождите немного. Документ загружается.

Понятие «пористость» включает две основные характеристики мате-

риала: геометрическую и структурную.

Геометрическая характеристика – это общий объем пор, т.е. собст-

венно пористость, размер пор и их общая удельная поверхность, опреде-

ляющие крупнопористое или мелкопористое строение.

Структурная характеристика – это форма пор, которая зависит от

вида твердой фазы, т.е. каркаса (зернистый, ячеистый, волокнистый и пр.),

и характера пор (открытые, замкнутые, сообщающиеся), который зависит

от технологических аспектов (вида сырья, свойств формовочных масс,

способа формования) и условий структурообразования (спекание, плавле-

ние, гидратация, контактное омоноличивание).

Увлажнение материалов. Важное свойство применяемых в архитек-

турно-строительной практике материалов и изделий – их отношение к воз-

действиям воды, пара и газов. Здесь можно выделить и коротко рассмот-

реть следующие свойства: гигроскопичность, водопоглощаемость, водоот-

дача, водо-, паро- и газопроницаемость. Гигроскопичность – это свойство

способности материала поглощать влагу из воздуха.

Различают три формы связи влаги с материалом: химическая связь,

физико-химическая связь, физико-механическая связь. При рассмотре-

нии влажностного состояния ограждающих конструкций обычно рассмат-

риваются только два последних вида влаги. В строительной теплофизике

установилась менее строгая классификация состояния влаги: сорбционная

и свободная влага.

К сорбированной влаге относится адсорбированная, осмотически свя-

занная и капиллярная влага в сквозных микрокапиллярах с радиусом r<10

-5

см и замкнутых макрокапиллярах радиусом r>10

-5

при поглощении воды

из влажного воздуха вследствие капиллярной конденсации. К свободной

влаге относится капиллярная влага в сквозных макрокапиллярах радиусом

r>10

-5

из влажного воздуха при конденсации водяного пара в толще мате-

риала или при непосредственном соприкосновении материала с водой.

Увлажнение сухого материала без непосредственного соприкоснове-

ния его поверхности с водой, а путем поглощения влаги из влажного воз-

духа – явление, имеющее существенное значение для процесса увлажнения

ограждающих конструкций. Находящиеся во влажном воздухе молекулы

водяного пара, попадая в сферу действия молекулярных сил сухого мате-

риала, образуют на поверхности зерен или пор газовую или жидкостную

пленку. Существует равновесное состояние между количеством сорбиро-

ванной влаги и давлением пара в окружающем воздухе. Когда температура

материала равна температуре воздуха t

= t

, а давление паров жидкости в

материале равно парциальному давлению пара влажного воздуха е

= е

влагосодержание материала приобретает некоторое постоянное значение,

называемое равновесной влажностью ω

Равновесная влажность при φ = 100% называется максимальным

сорбционным влагосодержанием, или максимальной гигроскопической

влажностью ω

: она является границей между влагой связанной и сво-

бодной. Максимальная гигроскопическая или максимальная сорбционная

влажность значительно меньше максимальной влажности материала, кото-

рую он может приобрести при поглощении воды (намокание, температур-

ная конденсация). Дальнейшее поглощение жидкости сверх гигроскопиче-

ского влагосодержания происходит путем непосредственного соприкосно-

вения материала с жидкостью. В этом процессе поглощения жидкости

имеет место заполнение микрокапилляров и пор, а также осмотическое по-

глощение жидкости через полупроницаемые стенки замкнутых пор. Свой-

ства этой поглощенной жидкости не отличаются от свойств свободной

жидкости, в частности, давление пара жидкости тела практически равно

давлению насыщенного пара свободной жидкости.

Процесс сорбции водяного пара сухим материалом сопровождается

следующими явлениями: вначале сорбция водяного пара происходит по

поверхности объема материала, вследствие чего в пограничном слое влаж-

ного воздуха уменьшается концентрация водяного пара, в результате

уменьшения концентрации водяного пара в пограничном слое будет про-

исходить перемещение водяного пара из воздушной среды с более высокой

концентрацией к пограничному слою. Это явление перемещения водяного

пара из области больших концентраций в область меньших концентраций

принято называть диффузией водяного пара в газовой среде.

Затем сорбция водяного пара распространяется в глубь объема мате-

риала; происходит постепенное выравнивание концентраций водяного па-

ра в порах материала, заполненных влажным воздухом. Явление переме-

щения водяного пара в порах материала из области больших концентраций

в область меньших концентраций принято называть диффузией водяного

пара через пористую стенку. Скорость диффузии через пористые мате-

риалы характеризуется коэффициентом паропроницаемости и объемной

пароемкостью материала. Диффузия в строительных материалах протекает

очень медленно по сравнению с диффузией в газовой среде.

Водопоглощаемость – это способность материала впитывать и удер-

живать воду. Водопоглощаемость проявляется в условиях погружения ма-

териала и при нормальном атмосферном давлении. Величина водопогло-

щаемости определяется по массе:

%100

⋅

−

, (3.7)

где m

и m

– соответственно масса до и после водопоглощения.

Если есть водопоглощаемость, то есть и водоотдача. Водоотдачей на-

зывают способность материала отдавать влагу в окружающую среду.

Рис. 3.5.Зависимость λ

(П

)

Важной физической характеристикой строительных материалов и из-

делий различного назначения является проницаемость как способность ма-

териала пропускать сквозь себя массу жидкости или газа. В зависимости от

проникающих компонентов различают воздухопроницаемость, паропро-

ницаемость и водопроницаемость.

Проницаемость в общем виде выражается количеством газа или жид-

кости, проходящим в единицу времени сквозь единицу поверхности образ-

ца материала единичной толщины при заданном перепаде давления. Про-

ницаемость строительных материалов изменяется в зависимости от пло-

щади проницаемой поверхности, перепада давления, пористости, количе-

ства и размера пор, удельного количества сквозных и сообщающихся пор,

толщины образа материала, вязкости компонента и влажности материала.

При воздействии постоянных (стационарных) или переменных (не-

стационарных) тепловых факторов свойства материалов характеризуются

теплопроводностью, теплоемкостью, термостойкостью и огнестойкостью.

Теплопроводность – способность материала проводить через свою

толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур,

т.е. разности энергетического потенциала на

внешних или внутренних границах материала,

т.е. наличие источника или стока тепла. Эти

свойства характеризуются теплопроводностью

λ, Вт/(м⋅°С). Она зависит главным образом от

пористости, размера пор, их сообщаемости и

замкнутости, влажности воздуха и наличия

влаги в порах. Если иметь в виду, что переда-

ча тепла через пористые материалы

определяется тремя составляющими: тепло-

проводностью материала скелета материала λ

теплопроводностью воздуха и его конвекци-

онной теплопередачей λ

и тепловым излучением λ

(рис 3.5), то можно за-

писать

= λк+ λв + λл . (3.8)

Следует отметить, что каждое слагаемое по сути вклада в результи-

рующую теплопроводность λ

определяется физической зависимостью от

пористости, гранулометрических и фракционных характеристик пор по их

замкнутости и сообщаемости между собой, удельной поверхности, нали-

чия влаги в порах, степени заполнения пор влагой, фазового состояния

влаги и т.п. характеристик, т.е. является функцией от этих факторов λ

f(X

,…X

). Изменение параметров этих факторов не одинаково влияет на

эффективный параметр λ

. Так, при одной и той же пористости, но с раз-

ным «гранулометрическим составом» количественный вклад каждой из со-

ставляющих λ

, λ

кн

, λ

в λ

будет заметно меняться. Это можно проследить

по характеру увлажнения пористого материала. Если увлажнение будет в

виде капельного и пленочного конденсата по поверхности пор (рис. 3.6, а),

будет снижаться λ

и увеличиваться λ

кн

. Причем интенсивность этого про-

цесса растет с повышением заполняемости пор влагой. При полном запол-

нении пор влагой конвективная составляющая теплопередачи практически

исчезает, а кондуктивная максимально возрастет. Следует отметить сле-

дующие явления:

• при замерзании пленочной и особенно капельной влаги в порах (рис.

3.6,б) образуется иней, что приводит к снижению λ

, т.е. повышению теп-

лотехнических характеристик материала и теплозащитных качеств ограж-

дающих конструкций;

• при замерзании влаги в заполненных порах (рис. 3.6, в) максимально

возрастает λ

, т.к. теплопроводность воды в 20 раз больше, чем воздуха, а

теплопроводность льда в 4 раза больше, чем воды. В условиях поперемен-

ного оттаивания и замерзания влаги в заполненных порах начинается раз-

рушение поверхностного слоя материала с постепенным перемещением

процесса разрушения в толщу материала (рис. 3.6, г).

Теплоемкость – способность материала аккумулировать теплоту при

нагревании. Причем с повышением теплоемкости может больше выделять-

ся теплоты при охлаждении материала. Температура в помещении может

сохраняться устойчивой более длительное время при повышенной тепло-

емкости используемых материалов для ограждающих конструкций (пола,

стен, перегородок, перекрытий и т.п.), поглощающих теплоту в период

действия отопительной системы. Это здания, в которых ограждающие кон-

струкции, особенно наружные, обладают высокой теплоустойчивостью,

т.е. способностью долго нагреваться и долго «остывать». Сравнительными

примерами могут быть тепловые эффективности каменной «русской» печи

и стальной печи буржуйки, крупнопанельного и кирпичного домов, кир-

Рис. 3.6. Характер увлажнения пористых

материалов и их состояние в условиях

знакопеременных воздействий: а – ка-

пельный и пленочный конденсаты на

стенках пор; б – замерзание капельной и

пленочной влаги с образованием инея; в

– полное заполнение пор влаги; г – за-

мерзание влаги в заполненных порах с

разрушением стенок пор; 1 – пора с за-

мерзшей влагой; 2 – разрушение стенки

поры

а)

б)

в) г)

пичного и деревянного домов. Для нагревания материала с массой m (кг)

от температуры t

до температуры t

необходимо затратить следующее ко-

личество тепла Q, Дж:

Q=cm (t

-t

). (3.9)

Из этой формулы следует, что удельная теплоемкость материала с,

Дж/кг·°С, определится соотношением

)( 12 ttm

−

. (3.10)

Коэффициенты теплоемкости: воды

– 4,2 кДж/(кг·°С), естественных

или искусственных каменных материалов – от 0,75 до 0,94, лесных мате-

риалов – от 2,42 до 2,75, стали – 0,5 кДж/(кг·°С). В организации среды

жизнедеятельности особое значение имеют акустические свойства мате-

риалов и изделий. К ним относятся их звукоизолирующая и звукопогло-

щающая способности.

Звукоизолирующая способность характеризуется степенью снижения

уровня энергетического давления, ударных, воздушных и структурных

звуковых волн при их проникновении через ограждающие конструкции.

Звукопоглощающая способность характеризуется свойством мате-

риала поглощать, отражать или рассеивать энергию подающих звуковых

волн и определяется пористостью, характером распределения и структурой

пор, плотностью поверхностного слоя, его фактурой и профилем.

3.5. Механические свойства

Механические свойства

– это способность материала сопротивляться

силовым воздействиями, они разделяются на деформационные и прочно-

стные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к

изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы.

Главные виды деформаций – это растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и из-

гиб. В твердых телах деформации могут быть упругими и пластическими.

Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно

восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения

действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после

прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обра-

тимой.

Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять фор-

му и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после

прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановить

свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформа-

ция, называемая пластической деформацией.

Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезающую по-

сле снятия нагрузки, называют необра-

тимой. Основными характеристиками

деформативных свойств строительного

материала являются: модуль упругости

(Юнга), коэффициент Пуассона, модуль

сдвига, объемный модуль упругости

(модуль всестороннего сжатия), пре-

дельные деформации (растяжения, сжа-

тия и др.), ползучесть. Другие характе-

ристики могут определяться для специ-

альных условий нагружения.

Внешние силы, приложенные к те-

лу, вызывают изменение межатомных

расстояний, отчего происходит измене-

ние размеров деформируемого тела на

величину ∆l в направлении действия си-

лы (при сжатии – укорочение, при рас-

тяжении – удлинение).

Относительная деформация ε

равна отношению абсолютной дефор-

мации ∆l к первоначальному линейному

размеру l тела: ε = ∆l /l. Деформация

происходит вследствие удаления или

сближения атомов, причем смещения

атомов пропорциональны деформации тела.

На частицы, из которых состоит твердое тело, одновременно дейст-

вуют силы притяжения и силы отталкивания: кулоновская сила притяже-

ния разноименных ионов и сила отталкивания электронных оболочек (рис.

3.7,а) [18]. Результирующая сила F, равная сумме сил притяжения и оттал-

кивания, изменяется в зависимости от межатомного расстояния. Ее изме-

нение можно наглядно представить, используя пружинную модель меж-

атомных сил (рис. 3.7, б). Когда твердое тело не нагружено, межатомное

расстояние остается постоянным (хотя атомы совершают непрерывные ко-

лебания) и результирующая сила равна нулю. При нарушении равновесно-

го межатомного расстояния, например сжатием стержня, атомы находятся

под действием отталкивающей силы. Наоборот, если стержень растягива-

ется, то атомы находятся под действием сближающей силы. Наклон произ-

водной dF / da в точке O связан с величиной модуля упругости, по сущест-

ву, закон Гука является соотношением, отражающим характер межатом-

ных взаимодействий в диапазоне упругих деформаций.

а)

б)

Рис. 3.7. Схема сил взаимодей-

ствия между атомами: а – межатом-

ные силы в зависимости от расстоя-

ния между атомами; б – пружинная

модель; 1 – сила притяжения; 2 – си-

ла отталкивания; 3 – результирую-

щая сила

Модуль упругости E (модуль Юнга) связывает упругую деформацию

ε и одноосное напряжение σ линейным соотношением, выражающим закон

Гука: E = σ/ε. При одноосном растяжении (сжатии) напряжение σ = P / F.

Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Мате-

риалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой

температуре) характеризуются и большим модулем упругости. Механиче-

ские свойства материала характеризуются диаграммой деформаций, по-

строенной на основании результатов испытания в координатах «напряже-

ние

– относительная деформация». Модуль упругости определяет тангенс

угла наклона производной dσ / dε к оси деформаций. На рис. 3.8 представ-

лены кривые σ – ε для строительных материалов пластичных, хрупких и

эластомеров. Поликристаллические изотропные материалы (металлы, кри-

сталлические полимеры и др.) сохраняют упругость при значительных на-

пряжениях; для многих из них характерно пластическое разрушение, отме-

ченное площадкой текучести на диаграмме σ

– ε (рис. 3.8, а). При хрупком

же разрушении пластические деформации невелики (рис. 3.8, б). Характер

разрушения – шум, треск, взрыв в результате мгновенного перехода по-

тенциальной энергии в кинетическую [19].

Упругая деформация эластомеров

(каучуков) может превышать 100%. Пер-

воначально для распрямления цепей мо-

лекул эластомера требуется низкое на-

пряжение. По мере распрямления цепей

молекул сопротивление дальнейшему

деформированию возрастает. Увеличе-

ние деформаций вызывает разрыв связей

уже выпрямленных молекул (рис. 3.8, в).

Таким образом, диаграммы деформаций

позволяют определить модуль упругости и установить его изменение в за-

висимости от уровня напряженного состояния.

В оптимальных структурах частицы не только равномерно распреде-

лены в объеме материала, особенно на микроуровне в кристаллических

решетках, но и на расстояниях, при которых силы притяжения и отталки-

вания равны между собой, а величина их равнодействующей равна нулю,

что характерно для равновесного состояния атомов в решетке. Энергия

принимает минимальное значение, вследствие чего система (материал) об-

ладает относительно устойчивым равновесным состоянием, положительно

влияя на стабильность показателей свойств. Последние при оптимальных

структурах принимают экстремальные значения. Следует, однако, учесть,

что равновесное состояние может быть не только устойчивым, подобно со-

стоянию частиц в кристалле, но и неустойчивым, как, например, состояние

Рис. 3.8. Диаграмма деформаций:

а – стали; б – бетона; в – эластомера

частиц в кристаллитах и гелях. В твердых телах пребывание частиц в неус-

тойчивом равновесии может продолжаться неограниченное время.

Характер оптимальной структуры зависит от состава и технологии из-

готовления конгломерата. В природных условиях он связан с генетически-

ми процессами, закономерное течение которых нередко нарушается сти-

хийными факторами. С изменением технологических или генетических ус-

ловий оптимизация структуры наступает при иных соотношениях компо-

нентов, новом вещественном составе конгломерата.

Обратимые полностью исчезают при прекращении факторов действия

на материал или изделие, их вызывающих. Причем деформации, исчезаю-

щие мгновенно и полностью, называются упругими, а исчезающие в тече-

ние некоторого времени – эластичными. Необратимые остаточные дефор-

мации, называемые также пластическими, накапливаются за период дейст-

вия этих факторов, а после их снятия деформации сохраняются.

Деформации могут быть также сложными

– упругопластическими или

упруговязкопластическими, если четко выражены соответственно упругая

и пластическая или упругая, эластическая и пластическая их части.

Прочность характеризует свойство материала сопротивляться разру-

шению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними си-

лами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагрева-

ние и т.п.). Прочность материала оценивают пределом прочности (времен-

ным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации. Для

хрупких каменных материалов основной прочностной характеристикой

является предел прочности при сжатии и изгибе, а для эластичных (поли-

меры, сталь и т.д.) – предел прочности при растяжении, которые опреде-

ляются по формулам:

ñæ

R =

;

= ;

R =

, где R

сж

, R

и R

– соот-

ветственно предел прочности при сжатии, изгибе и растяжении, МПа;

сж

– соответственно разрушающее усилие при сжатии и растяжении; А –

площадь поперечного сечения испытуемого образца;

М – наибольший из-

гибающий момент;

W – момент сопротивления сечения образца.

Оценка показателей пределов прочности материалов, особенно при

сжатии, носит условный характер, так как на конечный результат испыта-

ний существенное влияние оказывают различные факторы: размер и форма

образца; время и скорость приложения нагрузки; тепловлажные условия

проведения испытаний. Влияние размера и формы образца на показатели

предела прочности при сжатии обусловлено двумя факторами: образова-

нием при сжатии поперечных растягивающих усилий и наличием в боль-

шем объеме образца большего количества дефектов структуры, влияющих

на прочностные свойства материала. При одноосном сжатии благодаря на-

личию у образца свободных вертикальных поверхностей образуются попе-

речные растягивающие усилия. Между опорными гранями образца и пли-

тами пресса эти усилия уравновешиваются силами трения. По мере удале-

ния от поверхности образца действие сил трения уменьшается и растяги-

вающие усилия растут, достигая своего максимума к середине образца

(рис. 3.9,

а). В призме чем больше ее высота при одинаковых поперечных

сечениях с кубом, тем меньше силы трения в середине образца и выше ре-

зультирующие растягивающие усилия. Поэтому предел прочности при

сжатии у образцов кубической формы выше, чем у призм (рис. 3.9,

б).

Силы трения, возникающие между опорными гранями образца и пли-

тами пресса, удерживают части образца, прилегающие к плитам, от попе-

речного расширения и, следовательно, от разрушения. Средние же части

образца, испытывая поперечное расширение, разрушаются в первую оче-

редь. Поэтому при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, рас-

твора, камня и др.) получается характерная форма разрушения: образуются

две усеченные пирамидки, сложенные вершинами (рис. 3.9,

г). Если же хо-

рошо смазать опорные грани куба (например, парафином) и тем самым

уменьшить силы трения, то под нагрузкой куб вследствие свободного по-

перечного расширения распадается на ряд слоев, разделенных вертикаль-

ными трещинами. При смазке прочность куба при сжатии составляет лишь

около 50% прочности того же образца с несмазанными опорными поверх-

ностями (рис. 3.9,

д).

На результаты испытания влияет скорость нагружения образца. Если

нагрузка возрастает быстрее, чем установлено стандартом, то результат

испытания получается завышенным, так как не успевают развиться пла-

стические деформации. Характер работы образца при двухстороннем его

сжатии позволяет выявить большой круг аналогий в работе архитектурных

конструкций и их узловых сопряжений – оголовки колонн, стоек столбов

и т.п., где для повышения несущей способности часто вводятся сетки по-

в) д)

е) б)

г)

а)

Рис. 3.9. Схема сжатия и разру-

шения образцов: а, б – силы тре-

ния при сжатии хрупких тел ку-

бической и призматической

форм; в – деформации при сжа-

тии эластичных тел; г – разру-

шение куба; д – разрушение куба

со смазанными глицерином

опорными гранями; е – вариант

усиления кирпичного простенка

стальными сетками С-1

перечного армирования, которые воспринимают растягивающие усилия

(рис. 3.9,

г).

Представляет интерес оценка эффективности конструктивных мате-

риалов через условный показатель, именуемый коэффициентом конструк-

тивного качества

кк

. Он представляет собой отношения предела прочности

R (МПа) к средней плотности материала

ρ: k

кк

= R

сж (р)

/ ρ.

Дополнительными характеристиками механических свойств материа-

лов служат хрупкость, твердость, истираемость, износ и ударная вязкость,

которые особо важны при механодинамических воздействиях.

Хрупкость – свойство материала разрушаться при небольшой упру-

гой деформации под действием напряжений, средний уровень которых

ниже предела текучести. Основными причинами хрупкого состояния и

хрупкого разрушения материала являются: наличие микро- и микродефек-

тов в структуре материала и воздействие факторов внешней среды. Хруп-

кость условно характеризуется «мерой хрупкости»

, которая выражается

отношением упругой деформации

уп

к предельной ε

пр

. При х

= ε

уп

/ ε

пр

= 1

материал хрупкий, при

< 1 – относительно хрупкий.

Твердость – характеристика материала, отражающая его прочность и

пластичность. Наиболее часто твердость определяется методом вдавления

стандартного шарика или призмы в испытуемый образец (молоток Кошка-

рова) или царапания.

Существенное значение в сохранении эксплутационной надежности

материалов и изделий имеют их, близкие по сути, свойства истираемости

и износа. Если истираемость – способность сохранять заданные качества в

условиях действия истирающих усилий, то износ – способность сопротив-

ляться одновременному воздействию истирания и ударов. Поэтому избы-

точная истираемая стойкость может оцениваться потерей первоначальной

массы материала (

–m

), отнесенной к поверхности истирания:

()

Fmmu /

−=

Ударная вязкость характеризует динамическую прочность материала

при кратковременной (порядка 10

-3

с) интенсивной погрузке. Она имеет

большое практическое значение при оценке материалов, в конструкциях,

подвергаемых при эксплуатации динамическим и вибрационным воздейст-

виям.

3.6. Эстетические свойства материалов и изделий

Эстетические архитектурно-художественные свойства строительных

материалов и изделий делятся на две группы свойств:

- первая характеризует эстетическую взаимосочетаемость рассматри-

ваемых материалов между собой, а также с окружающей средой;