Гідрофізичні властивості

У процесі транспортування, зберігання і в будівельних конструк­ціях матеріали найчастіше зазнають дії води в рідкому стані або у ви­гляді пари. Повітря, що міститься в порах сухого матеріалу, перемі­щуючись, створює умови для дифузії водяної пари, тому будівельні матеріали в спорудах завжди перебувають у вологому стані.

Гігроскопічність — це здатність матеріалу поглинати водяну пару з повітря. Гігроскопічну вологу можна поділити на адсорбційно зв'я­зану, яка утримується сорбційними силами на поверхні пор, і капі­лярну, яка перебуває в мікропорах матеріалу. Якщо процес сорбції супроводжується хімічною взаємодією з матеріалом, то це явище нази­вається хемосорбцією й іноді буває шкідливим. Наприклад, при три­валому зберіганні цемент поступово втрачає активність. Гігроскопіч­ність визначають як відношення маси гігроскопічної вологи до маси сухого матеріалу.

Капілярно-пористі матеріали внаслідок адсорбції та капілярної конденсації водяної пари з повітря можуть містити значну кількість вологи навіть при тривалому витримуванні їх на повітрі. Наприклад, рівноважна вологість повітряно-сухої деревини становить 12...18 % до маси, а стінових матеріалів — 5...7 %.

Капілярне всмоктування пористими матеріалами відбувається за рахунок піднімання вологи по капілярах, коли частина матеріалу (конструкції) перебуває у воді. Наприклад, грунтові води за відсут­ності гідроізоляції призводять до зволожування нижньої надземної частини будівель. Капілярне всмоктування характеризується висо­тою підняття вологи в капілярах матеріалу, об'ємом поглинутої води та інтенсивил'ю всмоктування.

Водо поглинання — здатність матеріалу всмоктувати й утриму­вати вологу при безпосередньому стиканні з водою. Щоб визначити водопоглинання, зразок матеріалу поступово занурюють у воду й ви­тримують там доти, доки він не набере сталої маси. Водонаситити ма­теріал до остаточного заповнення доступних для води пор можна -кип'ятінням з наступним охолодженням у воді або під вакуумом.

Водопоглинання за масою В^ визначають як відношення кількості поглинутої матеріалом води до маси сухого матеріалу:

де т₂, т_х — маси матеріалу відповідно в насиченому водою та сухому стані, г.

Водопоглинання за об'ємом Ш₀ характеризується ступенем запов-неності пор матеріалу водою при насиченні й виражається відношен­ням об'єму поглинутої води до загального об'єму матеріалу в природ­ному стані:

де т₂ — т₁ — маса поглинутої води, г; V — об'єм матеріалу, см³.

Величини Ш_а та №₀ характеризують граничний випадок, коли бу­дівельний матеріал більше не може всмоктувати вологу за звичайних умов.

Коефіцієнтом водопоглинання називають відношення об'єму по­глинутої води до загального об'єму пор у досліджуваному матеріалі:

Відношення водопоглинання за об'ємом і за масою чисельно до­рівнює відносній густині будівельного матеріалу:

І звідки Г₀ = №_мй. Водопоглинання за об'ємом називають іноді уявною пористістю на відміну від істинної пористості. Вода не проникає в закриті, а та­кож в дуже дрібні пори. Останнє пояснюється тим, що молекули води завдяки дипольним і водневим зв'язкам поєднуються між собою у ве­ликі комплекси (полімерні асоціати). Проте при насиченні матеріалу під тиском або при кип'ятінні ці комплекси молекул розпадаються, вода заповнює всі відкриті пори й показник водопоглинання в цьому разі чисельно відбиває відкриту пористість матеріалу. Якщо всі пори відкриті, то Ч7_а = П.

Таким чином, водопоглинання матеріалу пов'язане з показником середньої густини, залежить від характеру пористості й коливається в широких межах для різних будівельних матеріалів: для керамічної' цегли — 8...20 %, важкого бетону — 2...6, вапняку — 1,5...З, гра­ніту — 0,02...0,70 % тощо.

Насичення матеріалів водою істотно позначається на їхніх най­важливіших властивостях: підвищується середня густина, теплопро­відність, знижується міцність, морозостійкість.

Водостійкість — це здатність матеріалу зберігати міцність при тимчасовому чи постійному зволоженні водою. Водостійкість харак­теризується коефіцієнтом розм'якшення, або водостійкості, який ви­значається відношенням міцності насиченого водою матеріалу /?_н до його міцності в сухому стані

. Водостійкими вважаються будівельні матеріали з коефіцієнтом розм'якшення понад 0,8. Це означає, що кам'яні природні та штучні матеріали з /С_р < 0,8 не можна застосовувати в місцях з підвищеною вологіско. Деякі матеріали при зволоженні втрачають міцність і де­формуються (цегла-сирець має /С_р = 0); такі, наприклад, як скло, сталь тощо не змінюють міцності (К_р = 1), а цементний бетон може на­віть підвищувати її.

Вологість Ш визначається вмістом вологи в порах і на поверхні пор матеріалу за масою або об'ємом в процентах, причому цей вміст значно менший за показник водопоглинання. Вологість матеріалу в будівельних конструкціях залежить від вологості навколишнього се­редовища, атмосферних явищ (дощ, танення снігу). Із зволоженням погіршуються теплозахисні властивості, морозостійкість та інші по­казники. Вологість матеріалу

де т_и т — маси відповідно вологого та сухого матеріалу, г.

Вологовіддача — це здатність матеріалу віддавати воду із зміною температури та вологості навколишнього середовища. Ця здатність характеризується інтенсивністю втрат вологи за добу при відносній вологості навколишнього повітря 60 % і температурі 20 °С (293,15 К).

Коли матеріал обвівається сухим повітрям, волога дифундує з ма­теріалу, кількість її знижується доти, доки не настане вологова рів­новага між показниками вологості матеріалу й навколишнього повіт­ря. Матеріал у такому стані характеризується як повітряно-сухий.

Водопроникність — це здатність матеріалу пропускати.крізь себе воду при певному гідростатичному тиску. Ця здатність визначається кількістю води в кубічних метрах, що пройшла крізь одиницю поверх­ні матеріалу за одиницю часу при сталому (заданому) тиску. Водо­проникність характеризується коефіцієнтом фільтрації /Сф, який ви-

мірюється в метрах за секунду й залежить від щільності матеріалу та його будови. До водонепроникних належать «абсолютно» щільні мате­ріали (наприклад, скло), а також практично водонепроникні матеріал» з дуже малими закритими порами (пінополістирол, газоскло).

Показник коефіцієнта фільтрації особливо важливий для матеріа-лів, застосовуваних у гідротехнічному будівництві, для водопроводів, каналізаційних систем, резервуарів, а також для покрівельних мате­ріалів.. '

Паро проникність ■ — це здатність матеріалу пропускати водяну пару за наявності різниці тиску біля поверхні огороджень. Стіни жит­лових будинків, лікарень та інших приміщень мають «дихати», тобто-бути досить проникними для водяної пари без ЇЇ конденсації (природна вентиляція). Стіни виробничих приміщень з вологими процесами ма­ють бути ізсередини захищені від проникнення водяної пари, оскільки в зимовий час відбувається конденсація пари, різко підвищується во­логість матеріалів із зовнішнього боку, що може призвести до знижен­ня міцності й навіть до руйнування конструкції.

Паропроникність характеризується коефіцієнтом паропроникності Кп, кг/(м • с • Па). Наприклад, Кп становить: для туфу — 2,4 х X 10~ кг/(м • с • Па), для важкого бетону — 1,2 • 10~, для сосни

І (впоперек волокон) — 1,6 • 10~⁸, для цегли керамічної — 2,24 х X 10^-8, для шлаковати — 10,2 • 10^-8 кг/(м ■ с • Па). Гідрофільність —це здатність матеріалу зв'язувати воду й змо­чуватися водою. Майже всі будівельні матеріали є гідрофільними, к пори в них легко заповнюються водою. Це не стосується водонепроник­них матеріалів, що не насичуються водою незалежно від того, які вла­стивості має їхня поверхня. Основною причиною гідрофільності більшості будівельних мате­ріалів є природа їхньої поверхні. Зокрема, водою змочуються тіла, поверхня яких містить аніони (наприклад, ОН~) або атоми, здатні; притягувати молекули води за рахунок утворення водневого зв'язку. Гідрофобність — це здатність твердого тіла не змочуватися водою (відштовхувати воду). Проникнення води крізь пори, що мають гідрофобну внутрішню поверхню, значно ускладнене, хоча вони легко пропускають повітря та водяну пару. Гідрофобність матеріалів ви­значається насамперед хімічною природою його поверхні та рідини, що змочує її, тобто фаз, які взаємодіють. До гідрофобних матеріалів належать парафін, жирові мастила, бітум, а 'також інші піддані гідрофобізації матеріали. Гідрофобізація — це процес надання поверхні гідрофільних мате­ріалів здатності відштовхувати воду, тобто гідрофобності. Гідрофобі-зацію виконують нанесенням на поверхню матеріалу найтоншого во­довідштовхувального покриття, що утворюється під час обробки її гідрофобізаторами (спеціальними поверхнево-активними речовинами).

Процес гідрофобізації грунтується на орієнтованій хемосорбції на поверхні матеріалу молекул гідрофобізатора з утворенням гідрофоб­них моно- або полімолекулярних шарів. Ці шари при адсорбції орієн­туються таким чином, що гідрофільні полярні групи гідрофобізатора спрямовуються до поверхні матеріалу, а гідрофобні вуглеводневі ра­дикали — у навколишнє середовище. Для одержання стійких покрит­тів необхідно, щоб полярні групи гідрофобізатора були хімічно пов'я­заними з поверхневими іонами чи атомами матеріалу. Найстійкіші покриття утворюються, якщо гідрофобізаторами є кремнійорганічні сполуки.

Гідрофобізація сприяє підвищенню водонепроникності, водо- та морозостійкості, збереженню кольору та фактури будівельних матері­алів.

І*! Вологові деформації — це здатність матеріалу змінювати свій •об'єм із зміною вологості, що може спричинитися до структурних на­пружень у матеріалі.

Властивості матеріалу при зволоженні (насиченні; водою збільшу­ватися в об'ємі називають набуханням (глина, деревина). Це явище по­яснюється тим, що полярні молекули води, проникаючи між частин­ами речовини або волокнами, які утворюють матеріал, розклинюють їщ, знижують капілярні сили. Вироби можуть покоробитися.

Із зменшенням вологості (з висиханням) деякі матеріали дають усадку, тобто зменшуються в об'ємі та розмірах (наприклад, паркет),, оскільки часточки матеріалу зближуються під дією капілярних сил. Через нерівномірність висихання у матеріалі (наприклад, у цегді-сир-ці) можуть виникати тріщини.

Навперемінне зволоження й висихання може призвести навіть до руйнування матеріалу.

Значна усадка, мм/м, звичайно притаманна високопористим мате­ріалам з дрібними порами: деревина (впоперек волокон) — ЗО... 100; <е он ніздрюватий — 1...3; бетон важкий —0,3..0,7; цегла кераміч­на — 0,03...0,10. Ці властивості слід враховувати, вибираючи умови зберігання й використання в будівництві таких матеріалів. ^2. Морозостійкість — це здатність матеріалу в насиченому водою стані витримувати багаторазове навперемінне заморожування й від­тавання без зниження міцності при стиску понад 15 % (для деяких матеріалів — до 25 %) і втрати маси не більш як 5 %. Марка за мо­розостійкістю характеризується оптимальним числом циклів замо рзжувания — відтавання, які витримує випробовуваний матераі. На­приклад, цеглу керамічну випускають марок Р15, Р25, Р35, Р50, дорожній бетон —Р50...Р200, а гідротехнічний бетон —до Р500 (циф­ри позначають число циклів).

Довговічність матеріалів у зовнішніх конструкціях, які в процесі

експлуатації зазнають дії води, змінних температур та інших атмос-

-.ферних факторів, значною мірою залежить від їхньої морозостійкості.

Руйнування матеріалів під дією води й морозу можна пояснити таки­ми явищами. Зволоження, наприклад, зовнішніх стін відбувається як ізсередини внаслідок міграції пари від «тепла до холоду» і наступної її конденсації, так і іззовні — дощ, сніг з вітром. Під дією морозів во­да у великих порах замерзає, а як відомо, перетворення води на лід» супроводжується збільшенням об'єму приблизно на 9 %, що спричи­нюється до виникнення тиску на стінки пор, який становить 210 МПа при температурі —20 °С. При цьому в матеріалі з'являються внут­рішні напруження, які можуть призвести до його руйнування, особ­ливо, якщо коефіцієнт водопоглинання наближається до одиниці, тоб­то всі пори відкриті.

Щоб визначити морозостійкість, зразки матеріалу насичують во­дою, а далі піддають навперемінному заморожуванню при температу­рі —15...—20 °С і відтаванню у воді температурою +15...+20 °С до певного числа циклів, установленого нормативними документами, або до початку руйнування зразка.

Найбільш морозостійкими є щільні матеріали з низьким водопо-глинанням, однорідні за структурою і такі, що мають високий коефі­цієнт розм'якшення. Управляючи капілярно-пористою структурою матеріалу в процесі виготовлення й застосовуючи поверхнево-активні речовини (ПАР), можна регулювати його морозостійкість. Пористі матеріали вважаються ще морозостійкими, якщо ступінь заповненості водою всіх доступних пор (відкриті пори) становить 80...85 %. Кое­фіцієнт розм'якшення морозостійких матеріалів має бути не нижчим ніж 0,9.

Поиск по сайту: