Будівельні матеріали, іх властивості

С = а + в*Т + с Т², (3.31)

де а, в, с - емпіричні коефіцієнти.

Починаючи від так званої температури Дебая, яка відповідає максимально можливій частоті коливань атомів у вузлах кристалічної гратки без її руйнування і становить 0,2...0,5 від температури плавлення, підвищення теплоємності з подальшим зростанням температури стає незначним.

При різниці температур у матеріалі теплота передається у напрямку менш нагрітих поверхонь. Теплопровідність зумовлена коливальним рухом (кераміка, природний камінь, скло) або рухом вільних електронів (метали). У більшості матеріалів теплопровідність зростає, якщо температура підвищується, але у деяких (гірських порід, металів) - зменшується.

Мірою теплопровідності А, є кількість енергії, що передається за одиницю часу через одиницю поверхні матеріалу при різниці температури 1°С. Її визначають експериментально, грунтуючись на рівнянні,

Q = λFτΔT / δ, (3.32)

де Q - кількість теплоти, Дж; F - площа перерізу, перпендикулярного до напрямку теплового потоку, м²; τ - тривалість проходження теплового потоку, год.;

-

ΔT- різниця температур, °С; δ -товщина матеріалу, м.

Величину, обернену теплопровідності, називають термічним опором. Теплопровідність зменшується в міру ускладнення хімічного складу матеріалів і будови їх просторової гратки, переходу від кристалічної структури до аморфної. Однак найчутливіша вона до зміни пористості .

Для порівняння наведемо теплопровідність деяких матеріалів λ, Вт/(м*К), шо мають середню густину ρ₀, кг/м³ :

Г рані т	2600...2800	2,8...3.4
Соска	530	0,17
Сталь	7860	58,00
Мінеральна вата	200...400	0,06...0,08
Цегла	1900	0,80
	1200	0,44

 

У міру зростання пористості матеріалів відкриті пори насичуються повітрям, яке має найменшу теплопровідність серед відомих речовин     λ= 0,023 Вг/(м К). Для матеріалів з низькою теплопровідністю бажана дрібнопориста будова, оскільки при цьому перенесення теплоти за рахунок конвекції, тобто переміщення нагрітого повітря відносно холодного, практично незначне.

Запропоновано багато формул для визначення теплопровідності залежно від пористості. Найпростіша з них, рекомендована для використання до температури 500°С. така:

λ_н = λ₀(1-КП), (3.33)

де λ_н - теплопровідність пористого матеріалу λ₀- те саме, з нульовою пористістю; П - загальна пористість в частках одиниці.

Залежність λ від температури для більшості матеріалів носить лінійний характер:

 λ= λ₀ (l+βt)(3.34)

де λ₀ - значення λ при 0°С; β - стала, що залежить від властивостей матеріалу.

У технічних розрахунках λ беруть сталим і таким, що дорівнює середньому арифметичному значенню у даних межах вимірювання температур.

Теплопровідність - один з визначальних показників якості теплоізоляційних матеріалів, які використовують у конструкціях стін і покрівель будівель. Якщо вологість зростає, то теплопровідність матеріалів збільшується. У порах матеріалів діаметром 0,027...0,1мм теплопровідність повітря при 0°С становить 0,024...0,031 Вт/(мК), води - 0,58, а льоду - 2,326 Вт/(м-К).

Збільшення амплітуди коливань при нагріванні спричинює збільшення середніх відстаней між атомами і, як наслідок, - теплове розширення твердих тіл. Для характеристики теплового розширення використовують температурний коефіцієнт теплового розширення, який враховують, влаштовуючи температурні шви, наносячи захисні покриття, підбираючи склади композиційних матеріалів. Він характеризується відносним видовженням зразка при нагріванні на 1°С. Температурний коефіцієнт лінійного розширення органічних матеріалів значно більший, ніж неорганічних. Так, якщо для кварцового скла він становить 0.5*10 ⁶ град. , то для полівінілхлориду - 80...90**10^б, поліетилену 160...239-10⁶ град. .

При зменшенні коефіцієнта лінійного розширення зростає термостійкість - здатність матеріалу витримувати температурні коливання без зниження механічних і деформативних властивостей.

Термостійкість визначають температурою, нагрівання до якої і швидке охолодження різко зменшує міцність матеріалу. Термостійкість відображають також у формі критеріальної залежності, наприклад, у вигляді відношення міцності матеріалу до термічних напруг. Термічні напруги можуть бути спричинені: 1) градієнтами температур; 2) анізотропією температурного коефіцієнта лінійного розширення, локальними хімічними реакціями, поліморфізмом тощо. Термостійкість збільшується. якщо підвищуються теплопровідність і міцність, зменшується модуль пружності, збільшується однорідність матеріалів.

До матеріалів високої термостійкості належать матеріали, які мають термічний коефіцієнт лінійного розширення (КТР) менший ніж       45*10^-7 град^-1 . Матеріали, в яких КТР перевищує 80*10^-7 °С^-1 , характеризуються низькою термостійкістю. Наприклад, вироби з плавленого кремнезему (КТР<7*10^-7 град^-1) не руйнуються при термічному ударі будь-якої інтенсивності.

Властивість матеріалу протистояти дії високих температур, не розплавлюючись, називається вогнетривкістю. Вона характеризується температурою, при якій зразок пірамідальної форми деформується, дістаючи вершиною основи. Висока вогнетривкість і температура

плавлення характерні для однокомпонентних систем (наприклад, чистих оксидів). Для багатокомпонентних матеріалів поява розплаву і відповідно розм’якшення спостерігається при порівняно низьких температурах.

Вогнетривкими називають матеріали з вогнетривкістю 1580… 1770°С (динасові, кварцові, шамотні вогнетриви тощо), високовогнетривкими - понад 1770°С (високоглиноземисті, хромітові, карборундові вогнетриви тощо).

Для матеріалів, які працюють при високих температурах, вирішальними можуть бути властивості чинити опір деформуванню або руйнуванню і протистояти хімічному руйнуванню - жароміцність і жаростійкість. Прикладами жароміцних матеріалів є сплави на залізній, нікелевій і кобальтовій основах, складні металооксидні, металдкарбідні та інші композиційні матеріали.

Розрізняють металеві, керамічні, кераміко-металеві, вуглеграфітові, склокристалічні жаростійкі матеріали. їхні властивості можна поліпшити армуванням за допомогою ниткоподібних кристалів і полі- кристалічних волокон або нанесенням жаростійких покриттів.   

Здатність матеріалів не змінювати своїх фізико-механічних властивостей під дією відкритого полум’я називають вогнестійкіс- т ю.Межі вогнестійкості досягають також тоді, коли підвищення температури на нео- бпалюваній поверхні конструкції становить понад 220°С і конструкція втрачає несучу здатність. Для незахищених металевих конструкцій межа вогнестійкості становить 0,5 год., залізобетону - 1...2, бетону -3….5 год.

Головним показником пожежної безпеки матеріалів є їхня спалимість. За спалимістю будівельні матеріали поділяються на три

групи:

• неспалимі - матеріали, не здатні горіти в повітрі нормального складу:
• важкоспалимі - матеріали, які здатні займатися під дією джерела горіння, але згасають після його видалення;
• спалимі - матеріали, здатні самостійно горіти у повітрі нормального складу.

До неспалимих належать природні і штучні неорганічні матеріали до важкоспалимих - такі, що складаються як з неспалимих, так і спалимих компонентів (асфальтобетон, гіпсові і бетонні вироби на органічному заповнювачі, фіброліт тощо), до спалимих - органічні матеріали, не захищені антипіренами (амонійними сполуками, борно- фосфорнокислими солями і т.д.).

Оптичні властивості. Для багатьох, особливо опоряджувальних будівельних матеріалів, важливе значення мають оптичні властивості: колір, блиск, прозорість.

Колір матеріалів фізично можна пояснити вибірковим поглинанням видимої області спектра. Розрізняють дві групи кольорового забарвлення: ахроматичне (чорно-біле), яке має перехідні відтінки, і хроматичне з цією або іншою насиченістю кольору, тобто ступенем наближення до чистої спектральної барви. До основних спектрально чистих кольорів, що отримуються з розкладання білого променя, який проходить крізь прозору призму, належать червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий. У зв’язку з асоціативним сприйняттям кольорів розрізняють відтінки льоду й вогню, або холодні (короткохвильові - блакитні, сині, фіолетові) й теплі (довгохвильові - червоні, оранжеві, жовті).

Колір природних мінеральних матеріалів зумовлений характером електронної взаємодії складових елементів, а також структурних дефектів і кількістю механічних домішок.

Хромофорні властивості, тобто здатність надавати мінералам певного кольору, мають іони перехідних металів - титану, ванадію, хрому, заліза, марганцю, кобальту, нікелю й міді. Чільне місце серед хромофорів належить залізу. Найінтенсивніші забарвлення дає Fe³⁺ (червоний, бурий, жовтий, зелений). Іон Fe²⁺ викликає зеленувате й блакитнувате забарвлення, бідніше, ніж іони Fe³⁺ . Сумісність Fe³⁺ і Fe²⁺ спричинюють синьо-чорне забарвлення мінералів.

На колір мінералів суттєво впливають також умови їх утворення, головним чином температура й середовище.

Домішки, що викликають забарвлення мінералів, можуть бути неорганічними, органічними, твердими, рідкими і газоподібними. Грубо- дисперсні домішки утворюють не дуже чистий і яскравий тон, тоді як навіть незначна кількість тонкодисперсних домішок здатна спричинити інтенсивне забарвлення мінералів.

Для отримання різноманітних кольорових сумішей застосовують фарби мінерального походження (пігменти), переважно оксиди й солі різних металів або їхні суміші.

Блиск - властивість матеріалів відбивати світло, що на них падає. Кількісно він виражається коефіцієнтом відбиття, К_від6 який є функцією показника заломлення п, а для непрозорих матеріалів і коефіцієнта поглинання к_поглб. Для непрозорих матеріалів

, К_від6 = [(п-1 )²+п² к_поглб] / [(п+1 )²+ к_поглб]. (3.35)

Серед мінералів, що складають природні кам’яні матеріали, часто (до 70%) трапляється скляний блиск (п=1,5...1,8), рідше (до 1-2%) - вищий алмазний і металевий блиск (п=2,7...3,4). Блиск залежить від гладкості поверхні матеріалів. Високого блиску поверхні досягають, поліруючи її або використовуючи глазурі та емалі, які розтікаються, розплавлюючись при високій температурі, і утворюють рівну гладеньку поверхню.

Прозорість - властивість матеріалу пропускати світло без розсіювання. Мірою прозорості є коефіцієнт прозорості:

k_np=L'/L₀, (3.36)

де L', L₀ - інтенсивність світла, яке відповідно пройшло крізь поверхню виходу і падає на вхідну поверхню.

Світлопропускання будь-якої речовини пов’язане з коефіцієнтом поглинання к_погл і товщиною поминального шару 8 співвідношенням (за законом Ламберта-Баєра):

К _пр = е ^{-к погл} δ , (3.37)

де е - основа натурального логарифма.

Якщо k_nр=0. то матеріал непрозорий. Коефіцієнт прозорості за значенням наближається до одиниці для оптичного скла, з якого виготовляють лінзи, світловоди тощо. Замість коефіцієнта прозорості часто використовують так звану оптичну густину

ρ _опт = -Іg k_пр, (3.38)

Зменшити прозорість матеріалу можна застосуванням різних домішок, утворенням мікротріщин, відносно крупних дислокацій.

Втрата прозорості склом - глушіння, забезпечується утворенням високодисперсної двофазної системи. У розплавленому склі утворюють фазу з найдрібніших кристаликів, наприклад, оксидів олова, титану, цирконію. Показники заломлення дисперсійного середовища й дисперсної фази для глушіння мають значно відрізнятися. Цей принцип використовують також для глушіння фарбових покриттів, які містять плівкоутворювальну речовину та пігмент.

Акустичні властивості. Враховують опір і звукопоглинання будівельних матеріалів.

Акустичний опір характеризує відношення амплітуд акустичного тиску й коливальної швидкості частинок матеріалу під дією цього тиску. Питомий акустичний ^0ПФ

z = А _aт / А _с, (3.39)

де А_aт А_с - комплексна амплітуда відповідно акустичного тиску і лінійної коливальної швидкості частинок середовища.

Якщо нехтувати втратами при поширенні звукових хвиль, то питомий акустичний опір можна знайти як добуток швидкості поширення звуку в даному середовищі на його щільність. На значення питомого акустичного опору суттєво впливає частота коливання частинок середовища. Щоб визначити акустичний опір матеріалів, вимірюють акустичний тиск у трубці, закритій з одного боку зразком.

Звукопоглинання матеріалів характеризується ступенем або коефіцієнтом поглинання звуку. Здатність матеріалів поглинати звук зумовлену їхньою пористістю, вона зростає з підвищенням кількості відкритих пор, максимальний діаметр яких не перевищує 2 мм. На середніх частотах матеріали здатні поглинати до 40% звукової енергії хвиль, тобто мають коефіцієнт звукопоглинання близько 0,4.