Электротехнические материалы и оборудование - Илья Мельников

Кристаллическая структура представляет собой кристаллическую решетку со строго определенным расположением атомов. Одним из основных показателей кристаллических решеток является прочность. На свойства материалов большое влияние оказывают форма, размеры и расположение кристаллов. Мелкокристаллические более однородны и стойки к внешним воздействиям. Крупнокристаллические материалы, например металлы, имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов, как у сланцев, обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используется при получении отделочных плиточных материалов.

Микроструктуру искусственно полученных материалов можно целенаправленно регулировать в зависимости от задаваемых свойств и назначений изделий.

Макроструктура материала зависит от технологии получения материала и сырья. Так, стекло обладает плотной макроструктурой, пеносиликат – ячеистой, пластики – слоистой, песок и гравий – рыхлозернистой. Однако, имея одно и то же основное исходное сырье, например, глину, и изменяя технологию, можно получить облицовочные плитки плотной структуры, стеновой мелкопористый кирпич и теплоизоляционный ячеистый материал – керамзит.

Свойства материалов условно разделяют на физические, механические, химические и технологические.

Физические свойства характеризуют вещество и структуру материала, а также его способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения химического состава и структуры материала. Основными из них являются:

– общефизические свойства: плотность (истинная, средняя, насыпная), объемная масса, относительная плотность, пористость (общая, открытая, замкнутая);

– гидрофизические свойства: влагоотдача, водопоглощение, морозостойкость, воздухостойкость, гигроскопичность, гидрофобность, гидрофильность, межзерновая пустотность, гидрофобность, влажность, водонепроницаемость, водостойкость, фильтрационная способность (водопроницаемость);

– теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, жаростойкость, огнеупорность, огнестойкость;

– акустические свойства: звукопоглощение, звукоизоляция, виброизоляция, вибропоглощение;

– механические свойства: предел прочности на сжатие, растяжение, изгиб, твердость, износ, сопротивление удару, упругость, истираемость;

– химические свойства: коррозионная стойкость, химическая активность, растворимость, кристаллизация;

– технологические свойства: вязкость, пластичность, ковкость, свариваемость, гвоздимость, набухание и усадка, хрупкость и др.

Кроме того, физические свойства включают и механические свойства, которые характеризуют поведение материала при действии на него различных нагрузок. К механическим свойствам относятся: сопротивление материала сжатию, растяжению, изгибу, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Физические свойства строительных материалов

Плотность. Плотность может быть истинной, средней, насыпной, относительной. Под истинной плотностью (кг/м куб.) понимают массу единицы объема абсолютно плотного материала без трещин, пор и пустот. Истинная плотность (кг/м куб.) для основных строительных материалов следующая: сталь, чугун 7800…7900; портландцемент 2900…3100; гранит 2700…2800; песок кварцевый 2600…2700; кирпич керамический 2500…2800; стекло 2500…3000; известняк 2400…2600; древесина 1500…1600.

Средняя плотность – это масса единицы объема материла или изделия в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами. Средняя плотность одного и того же материала может быть разной в зависимости от пористости и пустотности. Сыпучие материалы (цемент, щебень, песок и др.) характеризуются насыпной плотностью – отношением массы зернистых и порошкообразных материалов в свободном без уплотнения насыпном состоянии ко всему занимаемому ими объему, включая пространство между частицами.

От плотности материала в значительной степени зависят его прочность, теплопроводность и другие свойства. Этими данными пользуются при определении толщины ограждающих конструкций отапливаемых зданий, размера строительных конструкций, расчетах транспортных средств и др. Значения средней плотности строительных материалов находятся в широких пределах.

Средняя плотность (кг/м куб.) для некоторых строительных материалов следующая: сталь – 7800…7850; гранит – 2600…2800; бетон тяжелый – 1800…2500; кирпич керамический – 1600…1800; песок – 1450…1650; вода – 1000; бетон легкий – 500…1800; керамзит – 300…900; сосна – 500…600; минеральная вата – 200…400; поропласты – 20…100.

Плотность материала зависит от его пористости и влажности. С увеличением влажности плотность материала увеличивается.

Относительная плотность – это степень заполнения веществом объема материала. Относительную плотность выражают отвлеченным числом или в процентах.

Пористость. Пористость материала характеризует объем, занимаемый в нем порами – мелкими ячейками, заполненными воздухом. Мелкие поры, заполненные воздухом, придают строительным материалам теплоизоляционные свойства. По величине пористости можно судить о примерной прочности, плотности, водопоглощении, долговечности и др. Для конструкций, от которых требуется высокая прочность или водонепроницаемость, используют плотные материалы, для стен зданий используют материалы со значительной пористостью. Такие материалы обладают хорошими теплоизоляционными и звукопоглощающими свойствами.

Для рыхлых материалов при расчетах учитывают насыпную объемную массу. Пористость и относительная плотность в значительной степени определяют эксплуатационные качества материалов (прочность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность). Значение показателя пористости строительных материалов колеблется от 0 (стекло, сталь) до 90 % (минеральная вата).

Пустотность. Пустотность представляет собой количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпного материала. Выражается в процентах по отношению ко всему занимаемому объему. Этот показатель важен для керамзита, песка, щебня при изготовлении бетона. В некоторых строительных материалах (кирпич, панели) имеются полости, также образующие пустоты. Пустотность пустотелого кирпича составляет от 15 до 50 %, песка и щебня – 35…45 %.

Гидрофизические свойства материалов

Гигроскопичность. Гигроскопичность представляет собой свойство материала поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей поверхности. Она зависит от вида, количества и размера пор, от природы материала, от температуры воздуха и его относительной влажности. Когда влажность снижается, часть гигроскопичной влаги испаряется. Чем мельче поры, тем больше общая площадь поверхности, и следовательно, выше гигроскопичность. Материалы, притягивающие своей поверхностью воду, называют гидрофильными; материалы, отталкивающие воду называют гидрофобными.

Водопоглощение. Водопоглощение является способностью материала впитывать и удерживать воду. Величина водопоглощения характеризуется разностью между массой образца, насыщенного водой и массой сухого образца. Водопоглощение строительных материалов изменяется в зависимости от объема пор, их размеров и вида. Различают объемное водопоглощение, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Массовое водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах. Так, массовое поглощение обыкновенного кирпича составляет от 8 до 20 %, бетона – 2 – 3 %, торфоплит – 100 % и больше. Вода, попавшая в поры материала, увеличивает его объемную массу и теплопроводность, уменьшает морозостойкость и прочность. Некоторые материалы, в частности, затвердевшие глиняные растворы, разрушаются в воде.

Водопроницаемость. Водопроницаемость является свойством материала, характеризующим его способность пропускать воду под давлением. Она характеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 м кв. площади испытуемого материала при давлении 1 МПа. Это свойство учитывают при строительстве дамб, мостов, плотин и других гидротехнических сооружений. Сталь, стекло, большинство пластмасс, битум и другие плотные материалы водонепроницаемы.

Влагоотдача. Влагоотдача представляет собой способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности между влажностью материала и относительной влажностью воздуха. Чем разность больше, тем интенсивнее происходит высушивание. На влагоотдачу влияют свойства самого материала, характер его пористости, природа вещества. Материалы с крупными порами, а также гидрофобные материалы легче отдают воду, чем гидрофильные и мелкопористые. Влагоотдача строительного материала в естественных условиях характеризуется интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 0С.