Въпрос 3ss_unlocked PDF

Въпрос 3 Физични свойства на строителните материали. Параметри на състоянието: плътност (специфична, обемна, относителна) и порьозност. Структурни характеристики. Видове пори. Значение и практическо приложение на параметрите на състоянието и структурните х...

Въпрос 3 Физични свойства на строителните материали. Параметри на състоянието: плътност (специфична, обемна, относителна) и порьозност. Структурни характеристики. Видове пори. Значение и практическо приложение на параметрите на състоянието и структурните характеристики. Опитно определяне 1. Физични свойства на строителните материали Употребата на строителните материали зависи от техните свойства и от изискванията, които произтичат от конкретното приложение. Например материалите, които трябва да се използват за носещи елементи трябва да притежават достатъчно висока якост, ниска деформируемост, да не бъдат крехки, да се формуват без особени затруднения и др. Наред с тези изисквания се появява необходимост от обезпечаване на необходимата топлоизолация и хидроизолация на ограждащите елементи на сградата, което налага използване на многокомпонентни системи в строителството. Съответните свойства на материалите, удовлетворяващи тези изисквания се представят чрез числена стойност и съответната мерна единица. Тези свойства се определят при установени в различните стандарти опитни условия. Свойствата на материалите могат да бъдат общи, които се отнасят за всички видове материали и конкретни, които са приложими за един или група материали, използвани в строителството. Основната група свойства, които са характерни за всички материали са физичните свойства. Основните физични свойства на строителните материали обхващат: Параметри на състоянието; Структурни характеристики; Хидрофизични свойства; Топлофизични свойства; Мразоустойчивост; Радиационна устойчивост; Акустични свойства; Механичните свойства са якост, деформируемост, твърдост, изтриваемост и износване. Дълготрайността се определя от свойствата обемопостоянство, ерозионна устойчивост, корозионна устойчивост, огнеустойчивост, мразоустойчивост и др. 2. Физико-техническа измерителна система Основната система на измерителните единици е система SI (Systeme International d’Unites). Основните мерни единици за дължина са метър (m), за маса – килограм (kg), за време - секунда (s) и са температура – градус Келвин (K). Базовите величини и базовите означения според система SI са дадени в Таблица 3-1: 2.1. Маса Масата на всяко едно пробно тяло зависи основно от обема на тялото и веществото от което то е изготвено. С увеличаване на обема на тялото и плътността на вложения материал, неговата   → маса нараства. При известно ускорение a m / s 2 , масата на пробното тяло m упражнява върху → полето определена сила F. kg.m / s  → → F = m. a 2 Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.1  В полето на земното ускорение:   → → a = g = 9,81 m / s 2 Това ускорение дава една специална сила, която се нарича тегло на тялото и се отбелязва с → G. → → G = m. g При маса на пробното тяло 1kg в условията на земното ускорение, то осъществява върху полето следната сила:     → → G = m. g = 1 kg. 9,81m / s 2 = 9,81 kg.m / s 2 = 9,81 N 1 kg.m / s 2 = 1 N Сила 1 N, това е величината на силата, която упражнява тяло с маса 1 kg при ускорение 1 m/s. Величините килограм сила (kp) и нютон (N) се свързват чрез величината на земното 2 ускорение. 1 kp = g.1N = 9,81 N или по точно (9,80665 N ) Таблица 3-1. Базови величини Базова величина Означение Едица по SI Означение Маса m Килограм kg Дължина l Метър m Време t Секунда s Сила на електрическия ток I Ампер A Температура T Келвин K Количество вещество n Мол mol Интензитет на светлината I Кандела cd Величината на земното ускорение е различна за различните региони, но тези разлики се изразяват в няколко промила. Поради този факт с достатъчна за нуждите на техниката точност се приема: 1kp = 10 N 100kp = 1kN 1 kp / cm 2 = 0,1 N / mm 2 = 0,1 MPa 2.2. Дължина Дължината е физична величина, характеризираща линейното измерение на даден обект, обикновено по направления на най-големия размер. Дължината на даден предмет е разстоянието между най-крайните му точки. Различава се от височина, която е линейният размер по вертикалното протежение, както и от ширина, която е разстоянието между двете страни на обекта, мерено перпендикулярно на дължината. Във физиката и инженерните науки понятието дължина се използва като синоним на разстояние и се означава с L. Измерва се в метри (m). Дължината е едноизмерна мярка, докато площта е двуизмерна (произведение на дължина по ширина), а обемът е триизмерна мярка (произведение на дължина по ширина по височина). В повечето измерителни системи дължината е основна единица, чрез която може да бъдат представени и изразени други единици. 2.3. Време Време е основно понятие във физиката и четвърто измерение в пространствено-времевия континиум. Според теорията на относителността има 3 пространствени и едно времево измерение. С него се измерва продължителността и последователността на състоянията и Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.2 събитията. Времето е едно от седемте основни физични величини в система SI. Единицата за време в SI е секундата (s). Времето също е и много общо понятие. То е обект на интерес и от страна на поезията, живописта, психологията, философията и религията. Трудно е да се даде единно и непротиворечиво определение на понятието време, което да удовлетворява всички тези области. Периодичните събития и периодичните движения още от древността служат като стандарт за измерване на времето. Примери за това са въртенето на Земята около Слънцето, фазите на луната, движението на махалото или биенето на сърцето. 2.4. Температура Температурата е физична величина, характеризираща средната кинетична енергия на частиците от дадена макроскопична система, намираща се в състояние на термодинамично равновесие. Тя е свързана също със субективните усещания за топло и студено, а количествено се измерва с термометри, които могат да бъдат калибрирани да показват температурата в различни температурни скали. Температурата е физично свойство на материята, което количествено изразява общите понятия за горещо и студено. Предмети с ниска температура са студени, а с различни степени на по-високи температури са по-топли или горещи. Когато пътят за пренос на топлина между тях е отворен, топлинният поток спонтанно преминава от тела с по-висока температура към тела с по- ниска температура. Скоростта на обмена се увеличава с увеличаване на температурната разлика, а не с топлинната енергия. Топлинната енергия се обменя и между тела с еднаква температура, които са в „топлинно равновесие“. В термодинамичната система, в която ентропията се счита за независима външна контролираща променлива или константа, термодинамичната температура се определя като производната на вътрешната енергия по отношението на ентропията. В един идеален газ, съставните молекули не показват вътрешни възбуждания. Те се движат по първия закон на Нютон за движението, свободно и независимо една от друга, освен по време на сблъсъци, които продължават пренебрежимо кратко време. Температурата на идеален газ е пропорционална на средната транслационна кинетична енергия на молекулите. Амплитудата на температурните вибрации се увеличава с температурата. Температурата играе важна роля във всички области на природните науки, като физика, геология, химия, атмосферни науки и биология. В равновесно състояние температурата има еднаква стойност за всички макроскопични части на системата. Ако в системата две тела имат еднаква температура, кинетичната енергия на техните частици не се предава между телата. Ако има разлика между температурите, то определено количество топлина се предава от тялото с по-висока температура към тялото с по- ниска температура, до изравняване на температурите. Това количество топлина се определя от Първия закон на термодинамиката и свойствата на температурата се изучават от раздела термодинамика. Температурата също така играе важна роля в много области на науката като физика, химия и биология. Температурата е едно от основните понятия в областта на термодинамиката. Особено важни в тази област са разликите в температурата между различни части, защото тези различия са движещата сила за топлина, а топлината е пренос на топлинна енергия от места с по-висока температура към места с по-ниска температура. Всички останали единици в Система SI могат да се получат от основните базови единици. Така могат да се получат някои важни величини за строителството величини, дадени в Таблица 3- 2. Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.3  Таблица 3-2. Величини в строителството Величина Система SI Зависимост Наименование Означение Сила Нютон N 1N=1kg.m/s2 Напрежение Паскал Pa 1Pa=1N/m2=1kg/(m.s2) Енергия, работа, топлина Джаул J 1J=1N.m=1W.s=1kg.m2/s2 Мощност, топлинен поток Ват W 1W=1J/s=1kg.m2/s3 3. Параметри на състоянието Общият обем на материала V0 в естествено състояние се състои от плътен обем на твърдото вещество от което той е изграден VA и обем на празнините в него VP. Обемът на празнините в зависимост от конкретните условия и относителната влажност на материала е запълнен с въздух VL или частични или напълно с вода VH2O. Фиг.3-1 Плътността на материала ρ се определя от отношението на масата на материала и неговия обем, като се представя обикновено в една от следните дименсии kg / m , g / cm  kg / dm  3 3 3   или Mg (ton) / m 3. m = V В зависимост от това дали порите между отделните зърна на материала и порите в структурата на материала са включени в неговия обем, различаваме три основни вида плътност: специфична плътност, обемна плътност и насипна плътност. 3.1. Специфична плътност Специфичната плътност ρ е масата на материала в единица абсолютно плътен обем (без празнини и пори). m = VA Специфичната плътност се определя за абсолютно сухи материали. Масата се определя с везни. При твърди порести материали, за да се определи плътния обем, материалът предварително се разтрошава на прах. С достатъчна за нуждите на техниката точност, се приема, че когато диаметърът на отделните прахови частици е по-малък от 0,088 mm, тези частици са абсолютно плътни. Плътният обем на материала се определя, като сума от отделните абсолютно плътни малки обеми на праховите частици. Определянето на плътния обем се извършва най- често с помощта на пикнометър, градуиран цилиндър и други специални уреди. При измерването с пикнометър и градуиран цилиндър се подбира течност, която не влиза в реакция с дадения материал. Плътността на течностите се определя при температура 200С, а на газовете при Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.4 атмосферно налягате 760 mmHg. При абсолютно плътни материали и при течности, плътният и общият обем на материала не се различават. При смеси или композиционни материали специфичната плътност може да бъде изчислена аналитично въз основа на съотношението между масите на отделните компоненти и тяхната специфична плътност. Например за един композиционен материал, състоящ се от “n” компоненти, специфичната плътност се определя по следната формула: n n  mi m i = i =1 n = i =1 n mi V i =1 i  i =1 i 3.2. Обемна плътност Обемната плътност на материала ρ0 е масата на материала в единица обем в естествено състояние, определен заедно с порите. m O = VO Обемът на пробното тяло се определя в зависимост от формата на пробното тяло (правилна, неправилна) и вида на материала (плътен, порьозен, насипен). При тела от материала с правилна геометрична форма, обемът се определя чрез измерване на необходимите размери и изчисляване на обема по познатите математически формули за обем. При плътни тела с неправилна геометрична форма, обемът се определя с помощта на хидростатична везна. При порьозни тела с неправилна геометрична форма, пробните тела предварително се насищат с вода или по тяхната повърхност се полага тънък водонепропусклив слой (например парафиниране), след което се извършва измерване с хидростатична везна. При пробни тела, съдържащи кухини с правилна геометрична форма (например кухи глинени тухли) се определя обемната плътност на изделието (отношение между масата и сумарния обем на тялото с кухините) или обемна плътност на скелета (отношение между масата и обема, редуциран с обема на кухините). Обемната плътност на материалите е много важна характеристика за оценка на неговите експлоатационни параметри. Тя влияе непосредствено върху якостта, топлопроводимостта, водоплътността и други свойства на материала, като в практиката са установени зависимости между обемната плътност и тези свойства на материалите. Чрез обемната плътност се установява натоварването на строителните конструкции от собствено тегло, оразмеряват се площите и обемите на складовите помещения, определят се транспортните разходи, оразмеряват се повдигателните механизми и др. Обемната плътност се определя, както в сухо състояние, така и при определена влажност. Фиг.3-2 Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.5  3.3. Насипна плътност При насипните материали, в общия обем на материала V0, освен обема на веществото са включени обема на кухините между отделните зърна VK и обема на порите на самите зърна VP. Обемът на порите на зърната и обема на кухините предопределят общия обем на порите в материала. Насипната плътност ρS на материала е масата на материала в единица обем в естествено състояние, определен заедно с порите на зърната и кухините между тях. За определяне на насипната плътност се използват различни стандартизирани уреди в зависимост от размера на зърната и вида на материала. При изпитването трябва да се гарантира, че степента на уплътнение на насипния материал е една и съща. При по-фини материали степента на уплътняване може да се отрази сериозно върху разсейването на получените резултати. При определяне на насипната плътност се държи сметка и за влажността на материала. Увеличаването на влажността при пясъците води до понижаване на насипната плътност, поради отдалечаване на зърната в резултат на образувалите се водни обвивки. Фиг.3-3 m m S = = VO V A + VK + VP При насипните материали се определя и обемната плътност на зърната ρZ, която определя плътността на изходния материал от който са получени тези зърна. m Z = V A + VP При абсолютно плътни зърна на насипния материал, обемната плътност на зърната и специфичната плътност на материала (субстанцията) са равни. В следващата Таблица 3-3 са дадени стойностите на специфичната, обемна и насипна плътност на някои от най-често използваните строителни материали: Таблица 3-3 Плътности на строителни материали № Материал Специфична Обемна Насипна плътност плътност плътност kg/m3 kg/m3 kg/m3 1. Бетон 2500-3000 2000-2500 - 2. Леки бетони 1900-2500 200-2000 - 3. Цимент 2900-3100 - 900-1500 4. Добавъчни материали 2600-3100 - 1100-1500 5. Леки добавъчни материали 1500-2000 - 100-1400 6. Стомана 7800-7900 7850 - 7. Алуминий 2700-2800 2700-2800 - 8. Дървесина 1500-1600 100-1400 - 9. Пластмаси 900-2200 10-2200 - 10. Керамика 2200-2400 1600-2200 - 11. Разтвори 2200-2400 1500-2000 - Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.6  Обемното тегло на материалите се определя като отношение между теглото на материала и неговия общ обем. G  = = g V 4. Структурни характеристики Структурните характеристики на материалите са: относителна плътност, относителна порестост, открита и закрита порестост, разпределение на порите по размер, среден размер на порите и др. 4.1. Относителна плътност Относителната плътност на материала определя процентното участие на плътния обем (субстанцията) на материала в общия обем. m V   d = A  100% =  100% = O  100% VO m  O Относителната плътност определя до голяма степен якостните характеристики на материала, водоплътността, топлопроводимостта и др. Относителната плътност на материалите варира в много широки граници от 15-20% за топлоизолационните материали да 100% при абсолютно плътни или течни материали. 4.2. Порестост При всички строителни материали порите се явяват основна съставна част на структурата на материала. Техният обем се определя като част от общия обем на материала и оказва съществено влияние върху якостта на материала, деформируемостта, начина на приложение, водонепропускливостта и топлопроводимост. За поведението на материалите при въздействие на вода, газове и агресивни среди влияние оказва освен обема на порите, така и техния вид и разпределението им структурата на материала. Порите в материала са основно открити и закрити. При откритите и свързани помежду си пори, водата и газовете по лесно проникват в структурата на материала. Закритите и не свързани помежду си пори не са достъпни за течностите и газовете, което определя материала като плътен и непропусклив. Количеството на закритите пори оказва влияние върху мразоустойчивостта на материалите. Закрити пори Открити пори Фиг.3-4 4.2.1. Относителна порестост Относителната порестост определя процентното участие на порите, празнините и кухините в материала. Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.7  VP V − VA  V     p=  100% = O  100% = 1 − A   100% = 1 − O   100% VO VO  VO     d + p = 100% Относителната порестост варира в доста широки граници от приблизително 0% при стоманата до 95-98% за някои топлоизолационни материали. Особен интерес представлява порестостта при насипни материали с порьозни зърна. При тях се определят т.н междузърнестта порестост pН, която представлява отношение между обема на празнините между зърната отнесена към общия обем на материала. VK V − (V A + VP ) V − VZ   S  pH =  100% = O  100% = O = 1 −   100% VO VO VO  Z  Порестост на отделните зърна, която представлява отношение на обема на порите на зърната към техния сумарен обем: VP    pK =  100% == 1 − Z   100% V A + VP    Обща порестост на материала: VPO VO − V A   S  p0 = = = 1 −   100% VO VO    Внимание. Порестостта между отделните зърна и общата порестост се определят въз основа на общия обем на материала. Порестостта на отделните зърна се определя въз основа на обема на зърната. Поради тази причина сумарната порестост на материала не е сума от порестостта на зърната и обема на порите между тях. 4.2.2. Открита порестост Това е отношението между обема на порите, имащи връзка с външната среда към обема на материала в естествено състояние. Обемът на откритите пори е равен на обема на водата, която прониква в материала и запълва порите при водонасищане. Откритата порестост на материала се определя чрез водонасищане при повишено налягане, чрез живачна порьозиметрия, сорбция или други методи. m − mo 1 Pоткрита = wa  V  H 2O Откритата порестост влияе върху намаляване на мразоустойчивостта на материала, увеличаване на водопропускливостта и намаляване на корозионната устойчивост. Откритите пори в структурата на звукоизолационните материали подобряват техните звукопоглъщащи свойства и намаляват склонността към реверберации.. 4.2.3. Закрита порестост Закритата порестост на материала се определя, като разлика между общата порестост и откритата порестост. Тя е отношение между обема на порите, които нямат връзка с повърхността на пробното тяло, не са свързани помежду си и не могат да се запълват с вода след потапяне, към обема на материала в естествено състояние. Pзакрита = P0 − Pоткрита Закритата порестост увеличава мразоустойчивостта на материалите, увеличава дълготрайността в условията на действие на течни и газообразни агресивни среди, подобрява топлоизолационните характеристики и др. Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.8  4.3. Класификация и разпределение на порите по размер 4.3.1. Класификация на порите в материала Въз основа на класификацията на порите на Международната асоциация по приложна химия (IUPAC) същите се делят на: Микропори- с диаметър по-малък от 2 nm; Мезопори – с диаметър между 2 и 50 nm Макропори – с диаметър по-голям от 50 nm Ултрамакропори – с диаметър по-голям от 100 μm. Все още не съществува общоприета теория за класифициране на порите по размер в строителните материали, но най-често се използва следната класификация: Микрокапилярни пори – радиусът на порите не надвишава 0,1μm (100nm). Запълването на порите се осъществява основно чрез сорбция на водни пари и последваща кондензация; Макрокапилярни пори – радиусът на порите варира от 0,1 μm до 10 μm (от 100nm до 10 nm). Запълването се осъществява при непосредствен контакт с течностите. При тях не се 4 сорбира влага от въздуха, а напротив при ниска относителна влажност на въздуха те отдават от влагата. Некапилярни пори – радиус от 10 μm до 1000(2000) μm (от 100nm до 106nm). Те се запълват напълно при потапяне на материала във вода; Шупли – с радиус на порите по голям от 2000 μm (2.106nm). Поради факта, че размерът и вида на порите оказват влияние върху почти всички физични свойства на материалите, чрез целенасочено подобряване на структурата на материала тези физични свойства могат да бъдат оптимизирани. 4.3.2. Разпределение на порите по размер Диаметърът на порите е разстоянието между две противоположни стени на порите. Разпределението на обема на порите в зависимост от техния диаметър се осъществява по методи разделени в три основни категории: (1) диференциално разпределение, (2) постепенно разпределение и (3) интегрално разпределение. Диференциалното разпределение е метод, описващ изменението на обема на порите (V) във функция на техния диаметър (d) или радиус (r) и се изразява главно чрез графичната зависимост dV (d) или dV (logd). Графиката dV (d) изобразява увеличенията на обема, разделени с разликата между горния и долния размер на порите на всяко нарастване, дава промяна на обема с изменението на диаметъра и показва графиката на средната точка, за да се определи диаметъра на порите. Графиката dV (logd) изобразява увеличенията на обема, разделен от разликата между логаритмичната стойност на горния и долния диаметър на порите на нарастването, което дава промяната на обема с изменението на диаметъра. Средната точка на графиката показва преобладаващия диаметър на порите. Точките на графиката на диференциалното разпределение не отговарят директно на размера на обема. Интегралното разпределение е метод, описващ изменението на сумарния обема на порите (Р0) във функция на техния диаметър (d) или радиус (r) и се изразява главно чрез графичната зависимост Р0 (d) или Р0 (logd). Разпределението на порите по размери се изразява чрез функцията на разпределение на порите, за която се построяват т.н. диференциални криви (Фиг.3-5) и интегрални криви (Фиг. 3- 6). Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.9  Фиг.3-5 Диференциална крива Фиг.3-6 Интегрална крива Тези криви се изчертават въз основа на резултатите, получени от живачната порьозиметрия на материала. При тази методика се използва свойството на течния метал – живак да омокря значителна част от неорганичните материали, като прониква в техните пори, само в резултат на повишаване на налягането. Курс строителни материали – Въпрос 3 Стр.10