Теплофизические свойства

Теплофизические свойства материала проявляются при воздействии на него тепловой энергии или температуры.

Теплопроводность – способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопроводность материала (λ), измеряемая в Вт/(м·°С) или Вт/(м·К), характеризуется количеством теплоты, проходящей через стену толщиной 1 м и площадью 1 м² при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа. Теплопроводность служит сравнительной характеристикой при оценке теплозащитных свойств различных материалов и зависит от многих факторов: природы материала, его строения, пористости, влажности, а также средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен, чем аморфного. Если материал имеет слоистое или волокнистое строение, то теплопроводность его зависит от направления потока теплоты по отношению к волокнам, например, теплопроводность древесины вдоль волокон в два раза больше, чем поперек.

На теплопроводность материала в значительной мере влияют величина пористости, размер и характер пор. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности.

На практике теплопроводность материала определяют по формуле В.Н. Некрасова в зависимости от величины его средней плотности (r_m):

,

где r_m имеет размерность т/м³.

Точное значение λ обычно определяют экспериментально.

Теплопроводность для некоторых распространенных материалов [Вт/(м·°С)]: тяжелый бетон – 1...1,7; кирпич керамический – 0,7...0,8; легкий бетон – 0,25...0,4; газобетон – 0,1...0,2; изделия из минеральной ваты – 0,04...0,09; поропласты – 0,03...0,04; воздух – 0,002; вода – 0,58.

Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие. Объясняется это тем, что теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. При повышении температуры теплопроводность увеличивается, что имеет значение для теплоизоляционных материалов, применяемых для изоляции трубопровода, котельных установок и др.

Теплопроводность – важный показатель при выборе материала для ограждающих конструкций и определении их толщины, а также расчете толщины материала для тепловой изоляции горячих поверхностей (котлы, трубопроводы и др.).

Величину, обратную теплопроводности, называют термическим сопротивлением и определяют по формуле

где а – толщина слоя материала, м.

При расчете многослойной ограждающей конструкции (стены) формула принимает вид

где a_1, a_2, a_n – толщина слоев, м; λ, λ₂, λ_n – теплопроводность материала каждого слоя, Вт/(м·°С); 0,2 – сумма термического сопротивления воздуха у наружной и внутренней сторон ограждающей конструкции.

Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении.

Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость (С), которая показывает количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг материала на 1 °С:

где Q – количество тепла, затраченного на нагревание материала от t₁ до t₂, Дж; m – масса материала, кг. Размерность теплоемкости – Дж/(кг·°С). Удельная теплоемкость [кДж/(кг·°С)] воды составляет 4,2; лесных материалов – 2,4...2,7; тяжелого бетона – 0,8...0,9; природных каменных материалов – 0,75...0,92; стали – 0,5.

Теплоемкость материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева составляющих бетона и раствора для зимних работ, а также при расчете печей.

С повышением влажности материала теплоемкость возрастает.

Огнестойкость – способность материала противостоять действию высоких температур и воды в условиях пожара.

Строительные материалы по огнестойкости подразделяются на несгораемые, трудносгораемые, сгораемые.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. К этим материалам относят природные каменные материалы, кирпич, бетон, сталь. Трудносгораемые материалы под действием огня с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются. Примером таких материалов могут служить древесно-цементный материал фибролит и асфальтовый бетон. Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. В первую очередь это древесина, войлок, толь и рубероид.

Тепловое расширение – способность материала расширяться при нагревании. Этот показатель характеризуется коэффициентами линейного (α) и объемного (β) термического расширения, между которыми существует математическая зависимость . Коэффициент термического расширения (КТР) численно равен относительному удлинению образца материала при нагревании на 1 °С и выражается в м/°С. Это свойство имеет важное значение при проектировании температурно-деформационных швов в гидротехнических сооружениях, зданиях большой протяженности, бетонных облицовках каналов, при создании композиционных материалов (например, бетон, глазурованная керамика). КТР для тяжелого бетона (10...14)^10-6 и стали -(11,0.„11,9)^10-6м/°С 10^-6 относительно близки, что позволило создать железобетон, отличающийся высокой прочностью.

Огнеупорность – свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не деформируясь и не расплавляясь. По степени огнеупорности материалы подразделяются на легкоплавкие (огнеупорность менее 1350 °С), тугоплавкие (1350...1580 °С), огнеупорные (более 1580 °С).

Показатель огнеупорности важно знать для материалов, применяемых для футеровки печей, тепловых агрегатов, газоходов
[15, 37].

Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформирующему или разрушающему воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость, износ.

Материал может деформироваться под действием внешних сил. При этом возникает достижение деформаций до величины, при которой материал разрушится. После снятия нагрузки материал может восстанавливать размеры и форму или оставаться в деформированном виде (при условии, что он не был разрушен). Один и тот же материал может подвергаться всем видам деформаций при разных нагрузках. В то же время деформации возникают у разных материалов при одинаковой или разных нагрузках. Характер и величина деформации зависят также от скорости нагружения и температуры материала. Чаще всего с повышением скорости нагружения и с понижением температуры деформации по своему характеру приближаются к упругопластичным.

Упругость – свойство материала сопротивляться под нагрузкой, принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал еще
обладает такой способностью, называется пределом упругости. Упругость является положительным свойством строительных материалов. В качестве примера можно назвать резину, сталь, древесину.

Модуль упругости(модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении внешних сил. Известно соотношение, выражающее закон Гука:

где s – одноосное напряжение; Е – упругая относительная деформация.

Существует прямая зависимость модуля упругости от вида и энергии химических связей, действующих между атомами и молекулами данного материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей характеризуются большим модулем упругости.

Пластичность – свойство материала изменять под нагрузкой размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после удаления нагрузки.Это свойство противоположно упругости и его необходимо учитывать при выборе материалов для несущих конструкций. Для несущих конструкций целесообразно применять материалы, которые наряду с большой упругостью обладают высокой пластичностью. Разрушение в подобных материалах не будет происходить внезапно, как, например, у стали.

К пластичным материалам относятся глиняное тесто, свинец, нагретый битум.

Хрупкость – свойство материала мгновенно разрушаться под действием нагрузки без предварительной деформации. Как правило, хрупкость проявляется при ударных нагрузках. Обычно для хрупких материалов пределы прочности при растяжении и сжатии значительно отличаются (в 10... 15 раз и более). Характер разрушения строительных материалов зависит от температуры, влажности, скорости нагружения. К хрупким материалам относят природные камни, керамические материалы, стекло, чугун.

Релаксация – свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации зафиксирована жесткими связями и остается неизменной. При релаксации напряжений может измениться характер начальной деформации, например, из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), при этом изменения размеров не происходит. Такое исчезновение напряжений возможно за счет межмолекулярных перемещений и переориентации внутримолекулярной структуры.

Время, в течение которого первоначальная величина напряжения снижается в е = 2,718 раз (е – основание натуральных логарифмов), называют периодом релаксации, который меняетсяот
10 ^-10 с для материалов жидкой консистенции до 2-10 ^-10 с (десятки лет и больше) – для твердых материалов. Чем меньше период релаксаций, тем более деформативен материал.

Прочность – свойство материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим от внешних нагрузок.Строительные материалы в зданиях и сооружениях испытывают различные внутренние напряжения (сжатие, растяжение, изгиб, срез, удар и др.). От прочностных показателей зависит выбор максимальных нагрузок, которые может воспринимать данный элемент при заданном сечении. Кроме того, по заданной нагрузке можно рассчитать целесообразное сечение конструкций из данного материала.

Прочность материала характеризуется пределом прочности при сжатии, изгибе, растяжении (МПа). Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение материала. Предел прочности при сжатии (R_сж) или растяжении (R_раст) вычисляют по формуле

где Р – разрушающая сила, Н; S – площадь сечения образца до испытания, мм².

Для определения предела прочности при изгибе (R_и) испытывают образцы материалов в виде балочек, расположенных на двух опорах. В зависимости от схемы загружения образца расчет предела прочности при изгибе (МПа) производят по формулам:

– при одном грузе, расположенном по середине балки прямоугольного сечения:

;

– при двух равных грузах, расположенных симметрично горизонтальной оси балки:

,

где P – разрушающая сила, Н; l – расстояние между опорами, мм;
a – расстояние между грузами, мм; b и h – ширина и высота балки в поперечном сечении, мм.

Предел прочности материала определяют опытным путем, испытывая в лаборатории на гидравлических прессах или разрывных машинах специально изготовленные образцы. Для испытания материалов на сжатие образцы изготовляют в виде куба или цилиндра, на растяжение – в виде круглых стержней или полос, а на изгиб – в виде балочек. Форма и размеры образцов должны строго соответствовать требованиям ГОСТа или технических условий (ТУ) на каждый вид материала (табл. 1.1, 1.2).

Предел прочности материала (чаще при сжатии) характеризует его марку. Этот показатель для строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0,5 до 1000 МПа и более. Марка по прочности является основным показателем для материалов и изделий, из которых выполняют несущие конструкции. Для большинства материалов предел прочности при сжатии значительно ниже, чем при изгибе. Так, каменные материалы при растяжении выдерживают нагрузку меньше в 10...15 раз и более, чем при сжатии. Исключение составляют древесина, сталь и полимерные материалы.

Для строительных материалов, работающих в сооружениях, действующее напряжение должно быть меньше величины предела его прочности. В результате создается запас прочности, который необходим материалу по ряду причин: из-за неоднородности материала, возможности значительной деформации и появления трещин еще до достижения предела прочности, усталости материала при переменных нагрузках, «старение» материала под влиянием окружающей среды и т.д. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества материала, долговечности и класса сооружения.

Таблица 1.1

Схема стандартных методов определения прочности при сжатии

Таблица 1.2

Схема стандартных методов определения прочности
при изгибе и растяжении

Часто для оценки прочностной эффективности материала используют коэффициент конструктивного качества (К.К.К.), величина которого определяется делением предела прочности при сжатии на среднюю плотность R_сж/r_m материала. Наиболее эффективными являются материалы, имеющие наименьшую среднюю плотность и более высокую прочность.

Строительные материалы, предназначенные для устройства полов промышленных зданий, дорожных и аэродромных покрытий, тротуаров и др., должны обладать специальными механическими свойствами а именно: сопротивление удару, твердость, истираемость и износостойкость.

Сопротивлением удару называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок.Испы-тания производят на приборах – копрах. Сопротивление удару характеризуется работой, затраченной на разрушение стандартного образца (Дж) и отнесенной к единице его объема (м³) или площади (м²).

Твердостьюназывают свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.Твердость природных каменных материалов однородного строения определяют по шкале Мооса, которая составлена на 10 минералов с условным показателем твердости от 1 до 10 (самый мягкий – тальк с условным показателем 1, самый твердый – алмаз с показателем 10). Специально подобранные минералы расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку материал оставляет черту на предыдущем. Показатель твердости испытываемого материала находится между показателями твердости двух соседних, из которых один царапает испытываемый материал, а на другом он сам оставляет черту. Твердость бетона, пластмасс определяют вдавливанием в испытываемый образец стандартного стального шарика. О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика или по диаметру полученного отпечатка. Показатели твердости, полученные разными способами, нельзя сравнивать друг с другом. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости (например, древесина по прочности при сжатии равнозначна бетону, а ее твердость значительно меньше, чем у бетона). Для некоторых материалов (например, металлов) существует определенная связь между твердостью и прочностью, для других (однородных каменных материалов) – между твердостью и истираемостью.

Истираемость – называют свойство материала изменяться в объеме или массе под действием истирающих усилий. Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Оба эти свойства определяют различными условными методами: истираемость – на специальных машинах (кругах) истирания, а износ – с помощью вращающихся барабанов, в которые вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику истираемости принимают потерю массы или объема материала, отнесенных к 1 см² площади истирания, а за характеристику износа – относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала. Допустимые показатели истираемости и износа нормируются в соответствующих стандартах [15, 37]