Физико-механические и химические свойства строительных материалов

Строительные материалы обладают широким спектром физико-механических и химических свойств, определяющих степень их пригодности для возведения зданий, сооружений и инженерных устройств. Анализ этих характеристик позволяет точно рассчитывать надежность, долговечность и безопасность строительных конструкций.

К основным свойствам материалов относятся: плотность, объемная масса (средняя плотность), пористость, водопоглощение, прочность, пластичность, огнестойкость, огнеупорность, а также антикоррозионная стойкость.

1. Плотность и объемная масса. В академическом материаловедении принципиально различают понятия истинной плотности и объемной массы (средней плотности). Единицей измерения для обеих величин является кг/м³ (или г/см³).

- Плотность материала — это отношение массы образца к его объему без учета пор, пустот и внутренних капилляров.
- Объемная масса — это отношение массы материала к занимаемому им объему в естественном состоянии, то есть с учетом всех пор и пустот.

Для монолитных и практически беспористых материалов (металлы, стекло, синтетические смолы) объемная масса чисельно равна истинной плотности.

Для большинства же пористых строительных материалов значения истинной плотности и объемной массы существенно отличаются. Например, истинная плотность гранитного щебня составляет 3300 кг/м³, тогда как его объемная масса равенству не соответствует и находится в диапазоне 1800–1900 кг/м³.

Объемная масса является переменной величиной. Так, показатели свежевзрыхленного и слежавшегося песка будут существенно различаться. На объемную массу напрямую влияет и уровень влажности. Чтобы избежать погрешностей в расчетах, объемную массу принято определять для материалов в воздушно-сухом состоянии.

Таблица 1. Средняя объемная масса строительных материалов

2. Пористость и ее влияние на свойства материалов. Пористость материала определяет степень заполнения его объема порами и пустотами и математически дополняет значение относительной плотности до единицы (100%).

Например, пористость строительного кирпича составляет 1 − 0,68 = 0,32 (32%), тогда как пористость стали равна 1 − 1 = 0 (0%).

Величина пористости и структура пор оказывают определяющее влияние на большинство эксплуатационных характеристик: прочность, водопоглощение, водонепроницаемость, теплопроводность и морозостойкость.

3. Водопоглощение и коэффициент размягчения. Водопоглощение характеризует способность материала впитывать и удерживать в своей структуре воду. Данная величина выражается в процентах и показывает разность массы образца, предельно насыщенного водой, и этого же образца в абсолютно сухом состоянии.

Водопоглощение обыкновенного глиняного кирпича в зависимости от технологии и степени обжига колеблется от 8% до 20%. При максимальном насыщении водой материалы существенно теряют прочность, а их объемная масса и теплопроводность возрастают.

Коэффициент размягчения. Отношение предела прочности материала, насыщенного водой, к пределу прочности этого же материала в сухом состоянии называется коэффициентом размягчения.
- Для стали и битума коэффициент размягчения равен 1, что свидетельствует об их абсолютной водостойкости.
- Для кирпича-сырца и глинопесчаного раствора коэффициент размягчения равен 0: при контакте с водой данные материалы полностью теряют связность и распадаются.

Внимание: Из-за нулевой водостойкости кирпич-сырец и глиняный раствор строго запрещено использовать при устройстве фундаментов в водонасыщенных грунтах, а также для кладки дымовых труб выше уровня крыши.

4. Механические свойства: прочность и пластичность:
Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих при приложении внешних mechanical нагрузок, температурных колебаний и иных факторов.

В печных устройствах и строительных конструкциях внешние воздействия вызывают сжатие, изгиб, срез и смятие. Каждый материал характеризуется четким пределом прочности, превышение которого приводит к деформации и разрушению элемента.

Пластичность определяет способность материала менять форму без образования трещин и разрушения под действием внешних нагрузок, а также полностью сохранять полученную форму после снятия нагрузки. Это свойство является ключевым для строительных и кладочных растворов.

5. Термические свойства: огнестойкость и огнеупорность:
Огнестойкость определяется степенью возгораемости материала и характеризует его способность сохранять несущую способность и целостность при воздействии высоких температур и воды в условиях пожара.

По степени возгораемости материалы классифицируются на три группы:
1. Несгораемые (негорючие): Под действием огня не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, но могут подвергаться деформации или разрушению. Сталь при нагреве существенно деформируется, а гранит, мрамор и силикатный кирпич растрескиваются и разрушаются.

2. Трудносгораемые: Воспламеняются с трудом или тлеют только при наличии источника огня. После его удаления горение прекращается. Примером служит строительный войлок, применяемый для тепло- и огнеизоляции в печных устройствах. При тлении войлок выделяет специфический резкий запах, исполняющий роль индикатора очага возгорания.

3. Сгораемые (горючие): Воспламеняются под действием огня и продолжают гореть после устранения его источника.

Огнеупорность — способность материала противостоять длительному воздействию высоких температур не расплавляясь и не деформируясь.

По степени огнеупорности материалы подразделяют на:
- Огнеупорные (выдерживают температуру от 1580 °C и выше) — шамот, динас;
- Тугоплавкие (выдерживают температуру от 1350 до 1580 °C) — гжельский кирпич;
- Легкоплавкие (размягчаются при температуре ниже 1350 °C) — обыкновенный глиняный кирпич.

6. Антикоррозионная защита и растворимость. Защитные свойства материалов имеют ключевое значение при проектировании долговечных инженерных сетей и печных устройств.

Антикоррозионность представляет собой способность материала самостоятельно или в смеси со связующими веществами предохранять металлические и ограждающие конструкции от химического и атмосферного разрушения. Примером надежных антикоррозионных материалов для защиты металлических футляров печей являются графит и специальный печной лак.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. И. Воропай

Источник: Как сложить печь

Данные публикации будут полезны начинающим и практикующим печникам, индивидуальным застройщикам и жителям сельской местности, а также широкому кругу читателей, интересующихся проектированием, кладкой, ремонтом и эксплуатацией бытовых печей.