2.4.2. Гідрофізичні властивості будівельних матеріалів

Одним з найважливіших фізичних факторів, які впливають на будівельні матеріали, є вода.

Дуже часто в процесі експлуатації будівельні конструкції зволожуються, тому змінюються різні властивості матеріалів: знижується міцність, збільшується густина, зростає теплопровідність.

В залежності від відношення матеріалів до впливу води вони діляться:

■ на гідрофільні – змочувані водою (мінеральна штукатурка, кераміка);

■ гідрофобні – не змочувані водою (більшість полімерів).

Визначити тип матеріалу (гідрофільний чи гідрофобний) можна за допомогою каплі води (рис.2.13).

Рис. 2.13. Визначення типу матеріалу: а і б – гідрофільний; в – гідрофобний

Гігроскопічністю називають здатність пористих гідрофільних матеріалів поглинати водяну пару з вологого повітря.

W=(mвол-mсух)/ mсух·100%,

де mвол – маса вологого матеріалу, г; mсух – маса сухого матеріалу, г.

Сорбційна вологість підвищується при підвищенні вологості в приміщенні та зниженні температури повітря.

Деякі матеріали, наприклад гіпс, мають високу гігроскопічність і при підвищенні вологості повітря поглинають вологу, а при зниженні – віддають, регулюючи цим вологісний режим в приміщенні. Саме тому гіпсові штукатурки рекомендуються для штукатурення поверхонь всередині приміщень.

Внаслідок поглинання водяної пари з повітря вологість пористих будівельних матеріалів достатньо велика. Такий стан називається повітряно - сухим, а значення гігроскопічної вологості, яке встановилося – рівноважною вологістю.

Рівноважна вологість при відносній вологості повітря 50% складає:

■ цементних штукатурок – 15%;

■ гіпсових штукатурок – 4-10%.

Гігроскопічність зазвичай негативно відбивається на властивостях будівельних матеріалів (наприклад, приводить до набухання деревини).

Коли пористий матеріал торкається до води, виникає капілярне всмоктування.

Водопоглинання – здатність матеріалу всмоктувати й утриму­вати вологу при безпосередньому контакті з нею внаслідок капілярного всмоктування, заповнення великих пор.

Водопоглинання будівельних матеріалів змінюється в залежності від кількості пор, їх виду і розмірів. Чим більша пористість, тим більше водопоглинання. На величину водопоглинання впливає також і ступінь гідрофільності матеріалу.

Водопоглинання визначають по стандартним методикам, витримуючи зразки у воді протягом заданого терміну при температурі (20 ±2)С і вимірюючи потім їх масу.

Величина водопоглинання оцінюється по масі та об'єму.

Водопоглинання по об'єму Wv, % - ступінь заповнення об’єму матеріалу водою. Визначається за формулою

Wv=[(mнас – mсух)/Ve]100%,

де mнас – маса зразка матеріалу, насиченого водою, г; mсух – маса зразка матеріалу у сухому стані, г; Ve – об'єм зразка матеріалу в природному стані, см³.

Водопоглинання матеріалу не може перевищувати 100% і характеризує відкриту пористість матеріалу, оскільки закриті пори не доступні для заповнення водою, тому водопоглинання по об'єму завжди менше пористості.

Водопоглинання за масою Wm, % визначають стосовно маси сухого матеріалу:

Wm=[(mнас – mсух)/ mсух]100%,

Водопоглинання за масою високопористих матеріалів може бути понад 100%.

Насичення водою негативно впливає на основні властивості матеріалу: підвищується середня густина, матеріал набухає, зростає теплопровідність, знижується міцність.

Вологовіддача – це здатність матеріалу віддавати воду, яка знаходиться в його порах, навколишньому середовищу при сприятливих умовах (зниження вологості повітря, збільшення температури).

Вологовіддача характеризується кількістю води, %, яка випаровується зі зразка протягом 1 доби при температурі повітря 20ºС і його відносної вологості 60%. Маса води, що випарувалася, дорівнює різниці між масою зразка до початку випробування і масою після закінчення випробування.

Величина вологовіддачі має велике значення, особливо для стінових матеріалів. Щойно оштукатурені стіни завжди мають підвищену вологість. У звичайних умовах завдяки вологовіддачі стіни висихають.

Волога випаровується до тих пір, поки не встановиться рівновага між вологістю матеріалу стін і вологістю навколишнього повітря, тобто поки матеріал не досягне повітряно - сухого стану.

Гідрофобні матеріали з великими порами швидше віддають вологу, чим дрібнопористі гідрофільні.

Вологісні деформації. У пористих будівельних матеріалах при зміні вологості змінюються розміри та об'єм.

Набухання (розбухання) виникає при насиченні матеріалу водою.

Усадкою (усушкою) називають зменшення розмірів матеріалу при висиханні. Високопористі матеріали (наприклад, деревина), здатні поглинати велику кількість води, характеризуються великою усадкою:

Вид матеріалу Усадка, мм/м

Деревина (поперек волокон) 30-100

Будівельний розчин 0,5-1,0

Чергування висихання і зволоження пористого матеріалу, які нерідко зустрічається на практиці, супроводжується поперемінними деформаціями усадки та набухання. Такі багаторазові циклічні впливи розхитують структуру матеріалу, викликають тріщини, які прискорюють руйнування. Виникає короблення (рис. 2.14), наприклад, деревини.

Рис. 2.14. Основні види короблення деревини в результаті усушки та набухання:

а – поперечне; б – повздовжнє по пласті; в – повздовжнє по кромці; г – крилатість

Повітростійкість – це здатність матеріалу витримувати циклічні впливи зволоження – висушування без деформацій і втрати міцності.

Паро- і газопроникність – здатність матеріалів пропускати через свою товщину водяну пару або повітря (гази) при різниці тиску на протилежних поверхнях матеріалу.

Оцінюються за допомогою особливих коефіцієнтів, які рівні кількості водяного пару (або повітря), який проходить через шар матеріалу товщиною 1 м, площею 1 м² протягом 1 год при різниці тиску 10 Па.

При виникненні біля поверхонь огороджувальної конструкції різниці тиску газу (водяного пару) відбувається його переміщення через пори та тріщини матеріалу.

Стіновий матеріал, а також опоряджувальні матеріали стін повинні мати визначену проникність. Тоді стіна буде «дихати», тобто через зовнішні стіни буде відбуватися природна вентиляція, що особливо важливо для житлових будинків. Тому стіни житлових будинків, лікарень не оздоблюють матеріалами, які затримують водяний пар.

Паронепроникні матеріали повинні розташовуватися з тієї сторони огородження, з якої вміст водяного пару в повітрі більше, тобто частіше всього зі сторони внутрішніх приміщень.

Паро- і газопроникність залежать від структури матеріалу: щільності та пористості.

Водостійкість – здатність матеріалу зберігати так чи інакше свої властивості міцності при зволоженні.

Ступінь зниження міцності матеріалу при насиченні водою називається коефіцієнтом розм’якшення.

Коефіцієнт розм’якшення Крозм розраховується як відношення межі міцності при стисненні матеріалу в насиченому водою стані до межі міцності при стисненні у сухому стані:

Крозм= Rнас / Rсух,

Водостійкість матеріалу необхідно враховувати, коли будівельна конструкція з цього матеріалу повинна працювати у вологих умовах або піддаватися впливу воду.

Якщо в матеріалу є відкриті пори та він насичується водою, його міцність при цьому завжди знижується. Це відбувається внаслідок розклинювальної дії води та часткового розчинення складових матеріалу.

Коефіцієнт розм’якшення будівельних матеріалів може змінюватися від 0 до 1:

■ гіпсові штукатурки – Крозм ≈ 0,6;

■ цементні штукатурки – Крозм ≥ 0,8;

■ скло – Крозм ≈ 1.

Будівельний матеріал вважається водостійким, якщо Крозм ≥ 0,8, тобто міцність при насиченні водою знижується не більше чим на 20%. Такі матеріали можна застосовувати у вологих умовах експлуатації без спеціальних мір по захисту від зволоження.

Морозостійкість будівельного матеріалу – це одна із важливих фізичних властивостей, що відображають відношення матеріалу до спільної дії води та від’ємних температур.

Під морозостійкістю матеріалу розуміють його здатність в насиченому водою стані витримувати багаторазове почергове заморожування і відтавання без видимих ознак руйнування і значного зниження міцності.

Матеріали в умовах почергового насичення водою і заморожування поступово руйнуються. Руйнування відбувається у зв’язку з тим, що вода, яка знаходиться в порах матеріалу, при замерзанні збільшується в об’ємі приблизно на 9% (оскільки щільність води – 1 г/см³, а льоду – 0,917 г/см³). Найбільше розширення води при переході у лід спостерігається при температурі -4ºС; подальше зниження температури не викликає збільшення об’єму льоду. При заповненні пор водою і її замерзання стінки пор починають зазнавати значного тиску і можуть руйнуватися. Насичення матеріалу водою у процесі експлуатації може відбуватися при контакті матеріалу з водою або конденсації гігроскопічної вологи.

Морозостійкість матеріалу залежить від щільності та ступеню насичення водою пор. Щільні матеріали морозостійкі. З пористих матеріалів морозостійкістю володіють тільки такі, у яких є в основному закриті пори або вода займає менше ніж 90% об’єму пор. При повному заповненні усіх пор і капілярів матеріалу водою (не менше чим на 85-90%) руйнування може настати при одноразовому заморожуванні. Для будівельних матеріалів у звичайних умовах такого водонасичення не спостерігається.

Морозостійкість матеріалу вимірюється числом циклів почергового заморожування і відтавання, яке витримують зразки матеріалу без істотної зміни міцності.

Рис. 2.15. Метод випробування матеріалів на морозостійкість

Повторення заморожування і відтавання приводить до поступового розхитування структури матеріалу і поступового його руйнуванню. Спочатку починають руйнуватися грані, що виступають, потім поверхневі шари, і поступово руйнування поширюється всередину матеріалу, зменшується міцність.

Маркою по морозостійкості називається число циклів заморожування і відтавання за стандартним методом, після якого:

1) матеріал зберігає заданий рівень міцності:

■ не менше 95% початкової міцності при стисненні у водонасиченому стані для важкого бетону;

■ не менше 85% міцності для більшості інших матеріалів;

■ не менше 75% міцності для будівельних розчинів;

2) немає помітних ознак руйнування (тріщин, лущення) та втрати маси матеріалу.

Марка по морозостійкості позначається F. Наприклад, для розчинів марки по морозостійкості F25, 35 і т.д.