В.А.Смирнов, Б.А.Ефимов, О.В.Кульков. Материаловедение. Отделочн. Материаловедениеотделочные работы
 Скачать 204.58 Kb.
|
|
материаловедение отделочные работы н ач а л ь н о е п р о ф е с с и о н а л ь н о е о б ра з о в а н и е рекомендовано федеральным государственным учреждением «федеральный институт развития образования» в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы начального профессионального образования по профессии 270802.10 «Мастер отделочных строительных работ» регистрационный номер рецензии 130 от 14 мая 2010 г. фГУ «фиро» 2-е издание, переработанное учебник А в т о р ы: В. А. Смирнов (гл. 4, 6, подразд. 8.1, 8.3), Б. А. Ефимов (гл. 1, 2, 5, подразд. 6.6), О. В. Кульков (гл. 1, 2, 5, подразд. 6.6), И. В. Баландина (гл. 3, 9), Н.А.Сканави (подразд. 4.4, гл. 7, 8) Р е ц е н з е н т ы: ст. науч. сотрудник лаборатории методического обеспечения профессий строительства ИРПО С. М. Васильев © Коллектив авторов, 2011 © Образовательно-издательский центр «Академия», 2011 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2011 ISBN 978-5-7695-9103-7 Материаловедение. Отделочные работы : учебник для нач. проф. образования / [В.А.Смирнов, Б.А.Ефимов, О.В.Кульков и др.]. — 2-е изд., перераб. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 368 с. ISBN 978-5-7695-9103-7 Учебник является частью учебно-методического комплекта по профессии «Мастер отделочных строительных работ». Рассмотрены традиционные и совре- менные отделочные материалы. Приведено сравнение зарубежных и отечествен- ных аналогов. Дана экологическая оценка их использования. Учебник может быть использован при изучении общепрофессиональной дис- циплины ОП «Основы материаловедения» в соответствии с ФГОС НПО по про- фессии 270802.10 «Мастер отделочных строительных работ». Для учащихся учреждений начального профессионального образования. УДК 620.22(075.32) ББК 30.3я722 М34 УДК 620.22(075.32) ББК 30.3я722 М34 Учебное издание Смирнов Владимир Александрович, Ефимов Борис Александрович, Кульков Олег Валентинович, Баландина Ирина Викторовна, Сканави Наталья Алексеевна Материаловедение. Отделочные работы Учебник 2-е издание, переработанное Изд. № 102113574. Подписано в печать 30.03.2012. Формат 60×90/16. Гарнитура «Балтика». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 23,0. Тираж 1 500 экз. Заказ № Издательский центр «Академия». www.academia-moscow.ru 125252, Москва, ул. Зорге, д. 15, корп. 1, пом. 26б. Адрес для корреспонденции: 129085, Москва, пр-т Мира, 101В, стр. 1, а/я 48. Тел./факс: (495)648-0507, 616-0029. Cанитарно-эпидемиологическое заключение № РОСС RU. AE51. H 16068 от 06.03.2012. Отпечатано в ОАО «Московские учебники и Картолитография» 125252, г. Москва, ул. Зорге, 15. Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается У важаемый читатель Учебно-методический комплект по профессии — это основная и дополнительная литература, позволяющая освоить профессию, по- лучить профильные базовые знания. Комплект состоит из модулей, сформированных в соответствии с учебным планом, каждый из которых включает в себя учебник и дополняющие его учебные издания — рабочие тетради, плакаты, справочники и многое другое. Модуль полностью обеспечивает из- учение каждой дисциплины, входящей в учебную программу. Все учебно-методические комплекты разработаны на основе единого подхода к структуре изложения учебного материала. Для существенного повышения качества обучения и приближе- ния к практической деятельности в комплект входят учебные мате- риалы для самостоятельной работы, практикумы, пособие по про- изводственному обучению. Важно отметить, что разработанные модули дисциплин, входя- щие в учебно-методический комплект, имеют самостоятельную ценность и могут быть использованы при выстраивании учебно- методического обеспечения образовательных программ обучения смежным профессиям. 4 П реДисловие Основа строительного производства — строительные материа- лы. Знание особенностей их структуры, свойств, способов произ- водства и областей применения являются базой современного строительного материаловедения. В середине ХХ в. Россия с ее огромными запасами сырья и огромным научным потенциалом за- нимала одно из ведущих мест в мире по исследованиям и производ- ству строительных материалов. Начиная от известного во всем мире деревянного зодчества, приказа Каменных дел Ивана Грозно- го, издания Егором Челиевым первой в мире книги «Полное настав- ление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент весьма прочный для подводных строений…» (1825 г.) российская школа строительного материаловедения проделала огромный путь. Труды известных во всем мире ученых И.А.Белелюбского, В.А.Об- ручева, А.Е.Ферсмана, А.Р.Шуляченко, А.А.Байкова, В.А.Кинда, В.Н.Юнга, П.П.Будникова, П.А.Ребиндера, Н.М.Беляева, А.В.Вол- женского, Б.Г.Скрамтаева, А.Е.Фаворского, С.В.Лебедева, М.И.Хи- геровича, Г.И.Горчакова и многих других внесли неоценимый вклад в развитие современного материаловедения. Если в общем объеме капитальных вложений в строительство стоимость материалов составляет половину, а в ряде случаев и боль- ше, то стоимость отделочных строительных материалов является значительной их затратной частью. Последнее десятилетие ХХ в. для нашей страны можно охарак- теризовать как период значительных политических и экономиче- ских перемен, повлекших за собой структурные изменения во всех отраслях промышленности, в том числе и в индустрии строитель- ных материалов. Нарушились устоявшиеся межотраслевые связи между постав- щиками сырья, производителями оборудования и потребителями как внутри страны, так и за ее пределами. Изменился качественный и количественный характер стро- ительства. Примером этого является строительство по индивидуальным проектам зданий и сооружений за пределами больших городов. Ре- конструкция старых зданий и сооружений, построенных по тради- ционным для России архитектурным решениям, нередко коренным образом меняет облик целых ансамблей и городских районов. Появление большого количества фирм, производящих стро- ительные материалы, выполняющих строительные и отделочные работы, решило многие проблемы строительного комплекса. Одна- ко устаревшее технологическое оборудование, зачастую неквали- фицированные кадры, иногда отсутствие нормативных докумен- тов, а чаще их незнание руководством строительства и производи- телями материалов на начальном этапе перестройки привели к рез- кому ухудшению качества выполняемых строительно-монтажных работ. Результатом этого стал громадный поток импортных строи- тельных материалов и оборудования. Однако они зачастую не соот- ветствуют по своим качественным показателям суровым условиям эксплуатации в нашей стране, что, естественно, привело к сниже- нию уровня строительства в целом. Помимо этого на строительство стали привлекать рабочих и специалистов из дальнего и ближнего зарубежья. Произошло резкое удорожание импортных строительных мате- риалов. Одновременно ряд отечественных производителей начал выпускать конкурентоспособную продукцию, не уступающую по своим показателям зарубежной и, что особенно важно, адаптиро- ванную к российским условиям эксплуатации. При этом следует от- метить, что стоимость отечественных материалов ниже стоимости зарубежных аналогов. 6 I РАЗДЕл СТРОИТЕльНОЕ МАТЕРИАлОВЕДЕНИЕ И ДЕКОРАТИВНО- ОТДЕлОчНЫЕ МАТЕРИАлЫ Глава 1. Основные свойства строительных материалов Глава 2. Свойства декоративно-отделочных материалов 7 г лава 1 ОСНОВНЫЕ СВОйСТВА СТРОИТЕльНЫх МАТЕРИАлОВ 1.1. ОБщИЕ СВЕДЕНИЯ Отделочные материалы — это большая группа разнообразных по сырью, способу приготовления и применения строительных ма- териалов, объединенных по своему назначению — повышать экс- плуатационные и декоративные качества зданий и сооружений. Эти материалы используют для устройства отделочных покрытий на несущих и ограждающих конструкциях. Отделочные покрытия обеспечивают: защиту строительных конструкций от агрессивных внешних воздействий (природных или связанных с бытовой и производственной деятельностью чело- века); усиление эстетической выразительности архитектуры зда- ний и сооружений, а также декоративности внутренних помеще- ний; получение ровных и гладких поверхностей основных кон- структивных элементов, в результате чего уменьшается их загряз- няемость и облегчается очистка. При необходимости отделочные покрытия могут повышать огнестойкость и снижать пожарную опасность конструкций; уменьшать уровень шумового «загрязне- ния» помещений за счет повышенного звукопоглощения; предот- вращать распространение радиоактивного излучения от рентге- новских установок, используемых в медицине, и т.д. Классификация отделочных материалов. Чтобы было легче ори- ентироваться в многообразии отделочных материалов, их класси- фицируют по химической природе материала и технологическому признаку в зависимости от способа изготовления с учетом вида сы- рья, из которого получают материал. По химической природе строительные материалы подразделя- ются на следующие: органические (древесина, битум, пластмассы); 8 минеральные (природный камень, керамика, строитель- ный раствор, асбестоцемент и т.п.); металлы (сталь, алюминий, медь). Каждая из этих групп имеет свои особенности. Так, органиче- ские материалы горючи, а минеральные — не горят. Металлы хоро- шо проводят электричество и теплоту. По технологическому признаку материалы подразделяются на следующие группы: изготовляемые механической обработкой природного сырья (изделия из древесины и природные каменные ма- териалы); получаемые обжигом минерального сырья (неорганиче- ские вяжущие вещества, строительная керамика, стекло); изготовляемые на основе неорганических вяжущих ве- ществ (строительный раствор, гипсовые и силикатные изделия); получаемые в результате химической переработки орга- нического сырья (синтетические смолы, растворители, олифа, битум); изготовляемые технологической переработкой органи- ческих вяжущих веществ (строительные пластмассы, ма- стики, клеи). Чтобы здание или сооружение соответствовало своему назначе- нию, было красивым, долговечным и экономичным в эксплуатации, строители должны правильно применять отделочные материалы для различных конструкций, учитывая условия их работы, т.е. воз- действие на них внешней среды. На материалы наружной отделки воздействуют природные фак- торы: воздух с содержащимися в нем водяным паром и газами, ча- сто агрессивными, солнечные лучи, ветер, дождь, знакопеременные температуры, живые организмы (грибки, насекомые и их личинки). Если имеется непосредственный контакт с водой, то отделка под- вергается воздействию воды и растворенных в ней веществ. На материалы внутренней отделки воздействуют другие факто- ры: разнообразные механические воздействия от перемещения людей, мебели и оборудования (истирание, износ, удар), водяные пары и вода в помещениях с повышенной влажностью, высокие температуры, горячие газы, агрессивные жидкости в производ- ственных зданиях и инженерных сооружениях. Условия эксплуатации отделочного покрытия определяют, какие свойства должен иметь материал, предназначенный для его устрой- 9 ства. Свойство — это способность материала определенным обра- зом реагировать на отдельный или действующий совместно с дру- гими внешний фактор. Реакция материала на какое-либо воздей- ствие зависит от его состава и строения. В свою очередь, строение обусловлено: для природных материалов — их происхождением и условиями образования; для искусственных материалов — технологией изготов- ления и обработки. Различают технологические и эксплуатационные свойства. Тех- нологические свойства проявляются в процессе изготовления, переработки и использования материалов и изделий. Такими, на- пример, являются способность горной породы подвергаться пиле- нию, шлифовке и полировке, удобоукладываемость растворной смеси, укрывистось красочного состава, гибкость рулонного поли- мерного материала. Эти свойства имеют большое практическое значение, так как от них зависит качество и стоимость готовой про- дукции, а также удобство выполнения отделочных работ. Наиболее важные технологические свойства, имеющие количественные ха- рактеристики, приведены при рассмотрении конкретных видов от- делочных материалов. Эксплуатационные свойства — истираемость, морозостой- кость, водонепроницаемость, пожарная опасность и другие — в со- вокупности характеризуют способность материала в конструкции удовлетворять в течение заданного срока службы определенным требованиям, установленным в соответствии с назначением. В зависимости от природы факторов, воздействующих на мате- риал, строительно-технические свойства подразделяются на три основные группы: физические, механические и химические. Для отделочных материалов и изделий выделяют в отдельную группу свойства, характеризующие их декоративность: форму и размеры штучных изделий, цвет, рисунок и фактуру лицевой по- верхности. Стандартизация. Качество всех основных строительных мате- риалов и изделий должно соответствовать требованиям стандартов, которые распространяются как на материальные предметы (про- дукцию, эталоны, образцы веществ), так и на методы испытаний, правила приемки, технические требования различного характера. Стандартизация способствует улучшению качества готовой про- дукции, повышению уровня унификации, взаимозаменяемости, а также автоматизации производственных процессов, росту эффек- тивности ремонта изделий. В действующие стандарты по мере не- 10 обходимости вносятся изменения, основанные на достижениях со- временной науки и техники, а также передового опыта. В зависимости от сферы действия и условий утверждения стан- дарты подразделяются на ряд категорий, основными из которых являются: государственный стандарт (ГОСТ), технические условия (ТУ) и строительные нормы и правила (СНиП). Государственный стандарт. Это документ, в котором дается крат- кое описание материала и способа его изготовления, классифика- ция, конкретно указываются форма, размеры, классы (марки) и сор та (если они имеются), технические показатели, правила прием- ки, упаковки, транспортирования и хранения, методы испытаний материала или изделия, которые иногда выделяются в отдельный ГОСТ. Технические условия или отраслевые временные технические условия (ВТУ). Эти документы устанавливают комплекс требова- ний к конкретным типам, маркам, артикулам продукции, которая не стандартизирована или ограниченно применяется. ТУ действу- ют в пределах ведомства или министерства и содержат правила приемки, методы испытаний и требования к качеству, форме, раз- мерам и сортам выпускаемой продукции. Строительные нормы и правила. Эти документы регламентиру- ют основные положения строительного проектирования, произ- водства строительных работ и требования к строительным матери- алам и изделиям. СНиПы распространяются на все виды строитель- ства и являются общеобязательными. По каждому виду материалов и изделий даются требования по важнейшим физическим, механи- ческим и другим свойствам, а также условия, области применения материалов, изделий и конструкций для строительства. Техниче- ские требования СНиП направлены на повышение качества и сни- жение стоимости строительства путем максимального использова- ния эффективных материалов, изделий и конструкций. Классы (марки), сорта материалов. При оценке качества боль- шинства строительных материалов используют условные показате- ли — классы (марки) и сорта, — которые устанавливаются по основ- ной эксплуатационной характеристике или по комплексу важней- ших свойств материала. Так, для конструкционных материалов класс (марка) определя- ется по прочности на сжатие, МПа (кгс/см 2 ) (бетон, раствор, при- родные каменные материалы) или по совокупности показателей прочности на сжатие и изгиб (минеральные вяжущие, кирпич). Сорт древесины устанавливают по допускаемым порокам, механи- ческая прочность в определении сорта не учитывается. Определе- 11 ние марки для теплоизоляционных материалов ведется по средней плотности, кг/м 3 , а для битумов — по комплексу главнейших свойств (температура размягчения, вязкость и др.). Кроме основных показателей качества существуют специаль- ные марки и классы, характеризующие какие-либо основные свой- ства материала, например морозостойкость, водонепроницаемость, теплопроводность. 1.2. СВЯЗь СОСТАВА, СТРОЕНИЯ И СВОйСТВ СТРОИТЕльНЫх МАТЕРИАлОВ Состав строительных материалов. Различные строительные ма- териалы по-разному реагируют на одни и те же внешние воздей- ствия, т.е. имеют бо́льшую или меньшую плотность, прочность, те- плопроводность. Для понимания специфики свойств того или дру- гого материала необходимо знать особенности его состава и стро- ения. Строительные материалы характеризуются химическим, ми- неральным, вещественным и фазовым составами. Химический состав выражается процентным содержанием хи- мических элементов. Он позволяет судить о таких свойствах материа- ла, как биостойкость, электропроводность, горючесть и т.д. Для при- родных камней и минеральных вяжущих веществ химический состав принято характеризовать количеством входящих в них оксидов, %. Кислые оксиды (SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 ) и основные (CaO, MgO, Na 2 O, K 2 O) в природных условиях или в процессе высокотемпературной обработки химически взаимодействуют с образованием минера- лов, свойства которых различны и зависят от химического состава. Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в горной породе или вяжущем веществе. Характеристики полиминеральных материалов определяются свойствами и содержанием входящих в них минералов. Например, скорость твердения и прочность цементного камня тем выше, чем больше в клинкере самого главного из минералов — трехкальци- евого силиката. Для строительных материалов, представляющих собой смесь различных компонентов (например, портландцемент, сухая рас- творная смесь и др.), свойства во многом зависят от процентного содержания каждого компонента (вещественного состава). Так, для портландцемента вещественный состав характеризуют процент- ным содержанием клинкера, природного гипса, а также видом и ко- личеством активных минеральных или органических добавок. 12 Фазовый состав показывает соотношение между твердой, жид- кой и газообразной фазами. К твердой фазе относят вещества, об- разующие «каркас» материала; к жидкой и газообразной — соот- ветственно воду и воздух, заполняющие имеющиеся в материале поры. Увлажнение при контакте с водой или влажным воздухом увеличивает содержание жидкой фазы за счет газообразной. При этом изменяются все свойства: увеличивается масса конструкции; повышается теплопроводность; снижается прочность материала. Количественная характеристика фазового состава — влажность W, %, рассчитывается по формуле W m m m = − вл с с 100, где m вл — масса влажного материала, г; m с — масса сухого материа- ла, г. Влажность, или относительное содержание влаги в материале, зависит от особенностей самого материала (пористости, гидро- фильности, гигроскопичности) и условий окружающей среды (от- носительной влажности и температуры воздуха, наличия контакта с водой). Пределы изменения влажности — от нуля (для абсолютно сухого материала) до максимального значения, равного водопогло- щению материала по массе. Фазовый состав изменяется при замерзании воды в порах мате- риала. Если газообразная фаза в порах отсутствует или ее недоста- точно, в стенках пор возникают растягивающие напряжения, кото- рые могут вызвать разрушение материала. Для сыпучих строительных материалов, таких как песок, гравий, щебень, одной из важнейших характеристик является зерновой, или гранулометрический, состав, который показывает процентное содержание зерен различной крупности. Зерновой состав опреде- ляют по результатам просеивания пробы через стандартный набор сит с отверстиями различного размера. Строение материала. Это собирательное понятие, связанное с размерами, формой, взаимным расположением, условиями сраста- ния и количественным соотношением его структурных элементов, их внутренним строением на молекулярно-атомном уровне, нали- чием пор, их размерами, характером и т.д. В зависимости от фор- мы, размеров и взаимного расположения составляющих твердой фазы на макроуровне строительные материалы подразделяются на конгломератные, волокнистые, слоистые и зернистые. 13 Материалы конгломератного типа состоят из моно- или поли- минеральных частиц различных размеров, прочно скрепленных между собой цементирующим веществом (бетоны и растворы раз- личного вида, строительная керамика, некоторые природные кам- ни). Природные и искусственные конгломераты имеют прочность при сжатии в 10—30 раз выше, чем при растяжении. Волокнистое строение имеют древесина и материалы на ее основе, минераловатные изделия, асбестоцемент. У волокнистых материалов прочность при растяжении того же порядка, что и при сжатии. Волокнистые материалы с закономерной ориентацией во- локон (например, у древесины вдоль ствола дерева) обладают раз- личными показателями свойств в различных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы — анизотропны- ми. Так, теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в два раза выше, чем поперек, а набухание при увлажнении в 30—100 раз меньше. Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листо- вых и плитных материалов, в частности у пластмасс с листовым на- полнителем (бумажнослоистый пластик, стеклотекстолит). Эти ма- териалы также анизотропны. Зернистые материалы — рыхлые, они состоят из отдельных не связанных между собой частиц различной крупности (песок, гравий, гранулированная минеральная вата). Воздушные полости между зернами называются пустотами, а их доля в общем объеме сыпучего материала — пустотностью. Пустотность зависит от зер- нового состава, формы зерен и степени уплотнения. Пустотность песка влияет на массовое содержание цемента в строительном рас- творе и его стоимость. Для порошкообразных материалов, таких как минеральные вя- жущие и пигменты, обобщенной характеристикой физического со- стояния является дисперсность, связанная с размерами частиц. Тон- кодисперсные материалы, состоящие из достаточно мелких частиц, имеют значительную суммарную площадь поверхности, и чем мель- че частицы, тем площадь больше. Количественный показатель дис- персности — удельная поверхность F уд , м 2 /кг, представляющая со- бой суммарную площадь поверхности единицы массы порошка. Уве- личение удельной поверхности приводит к возрастанию реакцион- ной способности вещества. Это явление используют для получения быстротвердеющего цемента путем повышения тонкости помола. Вещества, входящие в состав материала, на микроструктурном уровне могут иметь кристаллическое и аморфное строение. Неред- ко одно и то же вещество существует в обеих формах. Примером 14 является кристаллический кварц и различные формы аморфного кремнезема в виде вулканического стекла, опала. У кристаллических веществ молекулы, атомы или ионы располо- жены в пространстве закономерно, образуя кристаллическую решет- ку. Силы взаимодействия между ними максимально уравновешены. Устойчивость кристаллических веществ обусловлена типом связи между элементами кристаллической решетки: молекулярная, кова- лентная или ионная. Особенностью кристаллических веществ явля- ется определенная температура плавления и форма кристаллов. Аморфные вещества вследствие особых условий отвердевания сохраняют характерное для жидкостей беспорядочное расположе- ние частиц. Обладая нерастраченной внутренней энергией кри- сталлизации, аморфные вещества химически более активны, чем кристаллические того же состава. При нагревании аморфные ве- щества размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние. Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кристаллических. Поэтому для повышения прочности специально проводят кристаллизацию аморфных веществ, например стекол, при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов. За малым исключением (стекло, металлы, битум) строительные материалы пористы. Поры представляют собой полости между эле- ментами структуры внутри материала. Объем пористого материала в естественном состоянии V е складывается из объема твердого ве- щества V а , т.е. абсолютного объема и объема пор V п (рис. 1.1). Объем пор определяют экспериментально по объему воды или керосина, поглощенных предварительно высушенным образцом при насыщении под вакуумом. Для более точного измерения мож- но использовать cжиженный гелий, способный из-за своей сверх- Рис. 1.1. Соотношение объемов в по- ристом материале 15 текучести проникать в самые мелкие поры. Зная объем образца в естественном состоянии, абсолютный объем находят по формуле V а = V е -V п Количественные характеристики, отражающие особенности структуры пористых строительных материалов, — это пористость и коэффициент плотности. Это величины относительные, они выра- жаются в долях единицы объема или процентах. Пористость П показывает степень заполнения объема материа- ла порами: П п е = V V 100. Коэффициент плотности K пл характеризует степень заполнения объема материала твердым веществом: К пл а е = V V 100. Пористость материалов изменяется в широких пределах: 0,5… 1,5 % — у гранита; 50…70 % — у древесины; 90 % и более — у пено- пластов. Материалы различаются не только величиной пористости, но и ее характером: размерами и формой пор, равномерностью их распределения по объему материала, тем, какие поры преоблада- ют: открытые или замкнутые. Размер пор у мелкопористых материалов, таких как строитель- ный раствор и древесина, менее 10 мкм. Мелкопористые материа- лы обладают сильно развитой внутренней поверхностью и склонны к увлажнению путем поглощения водяного пара из воздуха. Круп- нопористые материалы — газо- и пенобетон, пеностекло, поропласт и другие — содержат поры размером от десятых долей до несколь- ких миллиметров. Размер пор, содержание пор разного размера и форму пор опре- деляют ртутной порометрией. Открытые поры сообщаются между собой и с окружающей сре- дой. Они являются путями фильтрации воды, воздуха или пара че- рез материал. Открытую пористость оценивают по объему погло- щенной воды при обычных условиях насыщения материала. За- крытую пористость рассчитывают по найденным значениям общей и открытой пористости. Пористость и ее характер оказывают значительное и порой не- однозначное влияние на все важнейшие свойства строительных материалов. При увеличении пористости уменьшается масса кон- 16 струкции и улучшаются теплозащитные свойства. Однако при этом снижается прочность. Большая открытая пористость увеличивает водопоглощение, ухудшает водонепроницаемость и морозостойкость материала. Тем не менее в звукопоглощающих материалах стремятся увеличить со- держание открытых пор, так как они эффективно поглощают зву- ковую энергию. Рост закрытой пористости за счет открытой спо- собствует повышению коррозионной стойкости материала и сни- жению теплопроводности. 1.3. ФИЗИчЕСКИЕ СВОйСТВА Физические свойства материала включают в себя удельные характеристики массы и свойства, определяющие отношение материала к разнообразным физическим воздействиям (дей- ствие воды, пара и газа, высоких и низких температур, звуковых волн и т. п.). Удельные характеристики массы. Удельные характеристики массы — истинная, средняя, относительная и насыпная плотность — показывают содержание вещества в определенном объеме мате- риала и позволяют судить, насколько материал «легкий» или «тяже- лый». Истинная плотность r — это масса вещества в единице объе- ма материала в абсолютно плотном состоянии без учета объема пор и пустот, кг/м 3 , г/см 3 : r = m/V а , где m — масса вещества, кг (г); V а — абсолютный объем, м 3 (см 3 ). Экспериментальное определение абсолютного объема преду- сматривает предварительное измельчение высушенного материала до порошкообразного состояния. Объем измеряют с помощью пик- нометра или колбы Ле Шателье по объему инертной жидкости, вы- тесненной навеской порошка известной массы. Истинная плотность зависит от химического состава и внутрен- него строения веществ, из которых состоит каркас материала. У ма- териалов, близких по химическому составу, истинная плотность различается незначительно. Например, природные каменные материалы (гранит, мрамор, кварцевый песок) и искусственные (керамика, стекло, строительный раствор), состоящие в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, имеют истинную плотность в пределах 2 500…3 000 кг/м 3 17 Средняя плотность r m (в дальнейшем — плотность) — это от- ношение массы материала к его объему в естественном состоянии, кг/м 3 (г/см 3 ): r m = m/V е Плотность определяют на образцах правильной геометрической формы путем измерения размеров и взвешивания, на образцах не- правильной формы — гидростатическим взвешиванием или с по- мощью объемомера. Плотность материалов зависит от влажности. Для получения со- поставимых данных плотность r m c определяют после высушивания образцов до постоянной массы или рассчитывают по найденному значению для влажного материала (r m в ): r c m = r в m /(1 + W), где W — влажность материала в долях его массы. Для древесины принято плотность приводить к стандартной влажности, равной 12 %. Плотность строительных материалов колеблется в широких пре- делах: от 0,015 (пористая пластмасса — мипора) до 7,85 г/см 3 (сталь). Плотность учитывает наличие в материале большего или мень- шего объема пор, поэтому плотность пористых материалов всегда меньше истинной плотности. Иногда плотность материала выражают по отношению к плот- ности воды при 4 °С, равной 1 г/см 3 , или 1 000 кг/м 3 . В этом случае определяемая плотность становится безразмерной величиной и на- зывается относительной плотностью d. Насыпная плотность r н , кг/м 3 — отношение массы зернисто- го или порошкообразного материала к объему в рыхло насыпанном состоянии. Насыпной объем включает в себя объем зерен или ча- стиц (вместе с порами) и объем пустот между ними. Знание плотности строительных материалов необходимо для расчета несущей способности конструкций с учетом собственного веса, определения потребности в транспортных средствах, расчета складов и подъемно-транспортного оборудования. По плотности ориентировочно судят о некоторых других свойствах материала, определение которых в построечных условиях затруднено. Если известны истинная и средняя плотность материала, то по- ристость и коэффициент плотности, %, можно рассчитать по фор- мулам: 18 П К пл = − = 1 100 100 ρ ρ ρ ρ m m ; Усредненные значения плотности и пористости некоторых стро- ительных материалов приведены в табл. 1.1. Гидрофизические свойства. Отношение материала к действию водяного пара, содержащегося в воздухе, и воды характеризуют ги- дрофизические свойства: гидрофильность, гидрофобность, гигро- скопичность, влагоотдача, водопоглощение, влажностные дефор- мации, влагостойкость, водостойкость, паропроницаемость, водо- непроницаемость, морозостойкость. Материалы в зависимости от поведения воды на их поверхности подразделяются на смачиваемые (гидрофильные) и несмачиваемые (гидрофобные). Гидрофильность или гидрофобность материала обу- словлена химической природой веществ, складывающих «каркас», в частности строением молекул и их способностью связывать моле- кулы воды, вступая в электростатическое взаимодействие. Капля воды, попавшая на гидрофильную поверхность, растека- ется по ней, так как сила взаимодействия молекул вещества с моле- кулами воды больше межмолекулярных связей в воде. Гидрофиль- Таблица 1.1. Плотность и пористость материалов (усредненные значения) Материал r, г/см 3 r m , г/см 3 П, % Сталь 7,85 7,85 0 Стекло оконное 2,65 2,65 0 Стеклопластик 2,0 2,0 0 Гранит 2,7 2,67 1,5 Бетон тяжелый 2,6 2,4 10 Kирпич керамический полнотелый 2,65 1,7 35 Древесина (сосна) 1,54 0,5 65 Древесно-волокнистая плита 1,5 0,23 85 Пенополистирол 1,05 0,03 97 19 ность свойственна материалам с полярным строением молекул (глина, древесина, металлы). Гидрофобные материалы водой не смачиваются: вода не расте- кается по поверхности, а собирается в виде капель. Сила взаимо- действия молекул вещества с молекулами воды меньше, чем между молекулами воды. Гидрофобны многие органические соединения, имеющие неполярные молекулы или большие неполярные участки в молекулах. Примеры гидрофобных веществ: битум, парафин, не- которые пластмассы, кремнийорганические соединения. Мелкопористые и порошкообразные материалы с гидрофиль- ной поверхностью обладают повышенной гигроскопичностью (способностью поглощать и конденсировать водяные пары из воз- духа). Поглощение влаги происходит вследствие адсорбции моле- кул воды поверхностью твердой фазы и конденсацией влаги в тон- ких капиллярах материала или местах контакта частиц порошка. Гигроскопичность оценивают гигроскопической влажностью, определяемой после выдержки образца до установления постоян- ной массы при температуре 20 °С и относительной влажности воз- духа 100 %. В условиях эксплуатации гигроскопическая влажность зависит от химической природы материала, степени развитости его внутренней поверхности и условий окружающей среды: темпе- ратуры и относительной влажности воздуха. При понижении тем- пературы и повышении влажности воздуха содержание влаги в ма- териале возрастает. Для снижения гигроскопичности поверхность материала по- крывают гидрофобными веществами. Например, для обработки штукатурных покрытий на фасадах зданий используют гидрофоби- зующие кремнийорганические жидкости. Процесс поглощения влаги обратим: при соответствующих внешних условиях (пониженная влажность и повышенная темпе- ратура воздуха, его движение) материал начинает отдавать влагу. Это свойство называют влагоотдачей и количественно характери- зуют массой воды, испарившейся из стандартного образца в тече- ние суток при температуре воздуха 20 °С и относительной влажно- сти 60 %. В естественных условиях после строительства влагоотдача про- исходит длительное время с уменьшающейся интенсивностью до установления равновесия между влажностью материала и влажно- стью окружающей среды. Такое состояние материала называется воздушно-сухим. Для материалов с развитой внутренней поверх- ностью влажность в воздушно-сухом состоянии достаточно велика: древесины — 15…18 %, стеновых каменных материалов — 5…7 %. 20 В ряде случаев влагоотдачу необходимо регулировать: ускорять (например, путем сушки оштукатуренных известковым раствором стен) или замедлять (например, укрывая пленкой или влажными опилками твердеющий цементный бетон). Водопоглощение — свойство пористого материала поглощать и удерживать в себе воду. Заполнение пор водой обусловлено капил- лярным всасыванием и возможно как при полном погружении мате- риала в воду, так и при частичном — с подъемом воды по образцу. Водопоглощение оценивают максимальным количеством воды (по массе или объему), которое может впитать абсолютно сухой ма- териал при стандартных условиях насыщения. Водопоглощение выражают отношением к массе сухого материала (водопоглощение по массе W m ) или отношением к объему в естественном состоянии (водопоглощение по объему W о ),%: W m = 100(m н - m с )/m c ; W o = 100(m н - m c )/(r H 2 O V e ), где m н — масса насыщенного водой материала, г; m c — масса сухого материала, г; r H 2 O — плотность воды, равная 1 г/см 3 Из приведенных формул видно, что W o /W m = m c /r H 2 O V e = r m /r H 2 O ; W o = W m d. Водопоглощение зависит от пористости материала и ее характе- ра; оно может изменяться в широких пределах (от долей процента — у гранита, до 8…20 % — у керамического кирпича и до 100 % и бо- лее — у пористых теплоизоляционных материалов). Водопоглощение по объему — это степень заполнения объема материала водой, оно характеризует открытую пористость и не мо- жет быть больше общей пористости. Например, при пористости легкого бетона 40…50 % водопоглощение по объему составляет 20…25 %. Водопоглощение по объему позволяет определить коэффициент насыщения пор водой К н по формуле К н = W o /П. Этот коэффициент характеризует содержание в материале от- крытых и замкнутых пор и может изменяться от нуля, если все поры замкнутые, до единицы, если все поры открытые и водопоглощение равно пористости. Коэффициент насыщения дает возможность ориентировочно прогнозировать морозостойкость каменных мате- риалов. Изменение содержания влаги в материале сопровождается из- менением размеров и объема, т.е. влажностными деформация- 21 ми . При увлажнении материал набухает, при высыхании его раз- меры уменьшаются, т.е. происходит усадка. Деформации связаны с особенностями поведения воды в тонких слоях, формирующихся в мельчайших капиллярах и микротрещи- нах материала и на поверхности частиц или волокнах твердого ве- щества. Испарение (поглощение) воды из крупных пор практиче- ски не влияет на размеры и объем материала. Чем выше пористость и мельче поры, тем больше усадка (набухание) строительных мате- риалов. Приведем для некоторых строительных материалов наибольшие относительные деформации при изменении влажности от макси- мально возможных величин до 0 %, мм/м: Гранит ................................................................................... 0,02…0,06 Строительный раствор ...................................................... 0,50…1,00 Ячеистый бетон................................................................... 1,00…3,00 Древесина (поперек волокон в радиальном направлении) ............................................. 30,00…60,00 Чередование гигроскопического увлажнения и высыхания, ха- рактерное для материалов наружных отделочных покрытий, сопро- вождается деформациями набухания и усадки и соответствующи- ми знакопеременными внутренними напряжениями. Свойство ма- териала сопротивляться разрушению при действии воды в услови- ях попеременного увлажнения и высушивания называется влаго- стойкостью (иногда воздухостойкостью). Высокой влагостойкостью обладают: керамические материалы; многие полимерные материалы; большинство природных камней. Влагостойкость строительных растворов зависит от вида вяжу- щего: у гипсовых и известковых растворов она невысока. Водостойкость — способность материала сохранять прочность в насыщенном водой состоянии. Коэффициент водостойкости К в рассчитывается по формуле К в = R в /R c , где R в и R с — предел прочности материала соответственно в водона- сыщенном и сухом состояниях соответственно, МПа. Коэффициент водостойкости изменяется от нуля (размокающие материалы, например необожженная глина) до единицы (абсолют- но плотные, не поглощающие воду материалы). К водостойким при- нято относить материалы, имеющие К в ≥ 0,8. Эти материалы (гра- 22 нит, мрамор, цементный строительный раствор и др.) можно при- менять для конструкций и покрытий, контактирующих с водой, без специальных мер по их защите от увлажнения. Паро- и газопроницаемость — свойство материала пропускать водяной пар или газы (воздух) через свою толщину при перепаде давления. Перенос газообразной среды происходит в пористых ма- териалах через поры, не заполненные влагой. Абсолютно плотные материалы (стекло, полимеры, металлы) непроницаемы для газов. Паро- и газопроницаемость зависят в основном от пористости ма- териала и характеризуются соответствующими коэффициентами, которые определяются стандартными испытаниями. Так, паропроницаемость стенового керамического кирпича с по- ристостью около 30 % в 2,2 раза ниже, чем у теплоизоляционного трепельного кирпича с пористостью 58 %. В то же время она на 20 % выше, чем у керамзитобетона с той же пористостью, у которого мельче поры и больше закрытая пористость. Паро- и газопроницаемость резко уменьшаются при увлажне- нии: водонасыщенный материал практически не пропускает газо- образные вещества. Требования к паро- и газопроницаемости материалов для от- делки стен различны и зависят от назначения помещения. В жи- лых и общественных зданиях необходима достаточно высокая паро- и газопроницаемость для обеспечения естественной венти- ляции помещения и создания условий, комфортных для человека. В производственных зданиях с высокой влажностью воздуха в по- мещениях (текстильные фабрики, прачечные, бани), чтобы предот- вратить морозное разрушение стен из-за чрезмерного увлажнения, их необходимо с внутренней стороны отделывать паронепроницае- мыми материалами (поливинилхлоридной пленкой, масляными красками). Водонепроницаемость — свойство материала не пропускать че- рез свою толщину воду под давлением. Водонепроницаемость зави- сит от пористости, размера и характера пор и оценивается по-разному с учетом специфики условий эксплуатации конкретного материала: для рулонных и мастичных кровельных и гидроизоляци- онных материалов — временем, по прошествии которого вода под заданным давлением начнет просачиваться че- рез образец; для гидроизоляционных строительных растворов и бето- нов — односторонним гидростатическим давлением, при котором вода в стандартных условиях еще не проходит через образец цилиндрической формы. |