§ 1. Гидрофизические свойства

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Поглощение влаги из воздуха обусловлено полимолекулярной адсорбцией водяного пара на внутренней поверхности пор и капиллярной конденсацией. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.

С повышением давления водяного пара (т. е. с увеличении относительной влажности воздуха при постоянной температуре) возрастает сорбционная влажность данного материала (рис. 5). Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха количество адсорбированного газа

где р — давление газа при достижении равновесия; k и п — эмпирические параметры, постоянные для данных адсорбента и газа при определенной температуре.

В логарифмических координатах это уравнение выражается отрезком прямой

Кривая, выражающая зависимость количества адсорбируемого газа от давления, после насыщения внутренней поверхности пор стремится к прямой, параллельной оси абсцисс (точка А на рис. 5).

Рис. 5. Изотерма адсорбции

Дальнейшее увеличение гигроскопической влажности материала происходит вследствие капиллярной конденсации. В узких капиллярах материала, который хорошо смачивается водой (древесина, кирпич, бетон и т. п.), мениск всегда будет вогнутым и давление насыщенного пара под ним будет ниже, чем над плоской поверхностью. В результате пар, не достигший давления насыщения по отношению к плоской поверхности, может быть пересыщенным по отношению к жидкой фазе в тонких капиллярах и будет конденсироваться в них.

Вследствие процессов адсорбции и капиллярной конденсации водяного пара из атмосферы влажность пористых строительных материалов даже после их длительной выдержки в воздухе достаточно велика. Так, равновесная влажность воздушно-сухой древесины составляет 12 — 18%, стеновых материалов 5 — 7% но массе. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.

Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее надземной части.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Высоту h поднятия жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена

h = 2 cos Q/(rpg),

где — поверхностное натяжение; в — краевой угол смачивания; г — радиус капилляра; р — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.

Поры в бетоне и других материалах имеют неправильную форму и изменяющееся поперечное сечение, поэтому приведенная формула годна лишь для качественного рассмотрения явления; высоту всасывания воды определяют, применяя метод «меченых атомов», либо по изменению электропроводности материала.

Объем воды, поглощенный материалом путем капиллярного всасывания за время t, в начальной стадии подчиняется параболическому закону

где К — константа всасывания.

Уменьшение интенсивности всасывания (т. е. значения К) отражает улучшение структуры материала (например, бетона) и повышение его морозостойкости.

Водопоглощение пористых материалов (бетона, кирпича и др.) определяют по стандартной методике, выдерживая образцы в воде. Температура используемой воды должна быть 20±2°С. Водопоглощение, определяемое погружением образцов материала в воду, характеризует в основном открытую пористость, так как вода не проникает в закрытые поры. К тому же при извлечении образцов из ванны вода частично вытекает из крупных пор, поэтому водопоглощение обычно меньше пористости. Например, пористость легкого бетона может быть 50 — 60%, а его водопоглощение составляет 20 — 30% объема.

Водопоглощение определяют по объему и массе.

Водопоглощение по объему W0 (%) — степень заполнения объема материала водой:

где тв — масса образца материала, насыщенного водой, г; тс — масса образца в сухом состоянии, г.

Водопоглощение по массе WM (%) определяют по отношению к массе сухого материала

Разделив почленно на W0/WM, получим (%)

причем объемная масса сухого материала у выражается по отношению к плотности воды (безразмерная величина).

Водопоглощение различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02 — 0,7%, тяжелого плотного бетона — 2 — 4%, кирпича — 8 — 15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше. Водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше пористости, но водопоглощение по объему никогда не может превышать пористость.

Водопоглощение используют для оценки структуры материала, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой kH, равный отношению водопоглощения по объему к пористости:

K = wjn.

Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда

Уменьшение kH (при той же пористости) свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости.

Водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается объемная масса, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются.

Коэффициент размягчения kp — отношение прочности материала, насыщенного водой RB, к прочности сухого материала Rc

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, ее» ли их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением.

Водонепроницаемость материала (бетона) характеризуется маркой, обозначающей одностороннее гидростатическое давление (в кгс/см2), при котором бетонный образец-цилиндр не пропускает воду в условиях стандартного испытания. Между коэффициентом фильтрации и маркой по водонепроницаемости имеется определенное соотношение: чем ниже кф, тем выше марка по водонепроницаемости.

С водопроницаемостью борются в строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, при возведении стен подвалов. Стремятся применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивают гидроизоляционные слои, экраны.

Газо- и паропроницаемость. При возникновении у поверхностей ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала. Поскольку материал имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.

При определении коэффициента газопроницаемости объем проходящего газа приводят к нормальным условиям.

Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью. Тогда стена будет «дышать», т. е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха. Поэтому стены жилых зданий, больниц и т. п. не отделывают материалами, задерживающими водяной пар. Наоборот, стены и покрытия влажных производственных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения водяного пара. В зимнее время внутри теплых помещений (текстильных фабрик, коммунальных предприятий, коровников, свинарников и т. п.) в 1 м3 воздуха содержится водяного пара значительно больше, чем снаружи, поэтому пар стремится пройти через стену или покрытие. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Создаются условия, способствующие быстрому разрушению материала (легкого бетона, кирпича) наружной ограждающей конструкции при действии мороза.

Паронепроницаемые материалы должны располагаться с той стороны ограждения, с которой содержание водяного пара в воздухе больше.

В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость; это относится к емкостям для хранения газов, а также к специальным сооружениям, внутреннее пространство которых должно быть защищено от проникновения зараженного воздуха (например, газоубежища).

Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от структуры материала (объемной массы и пористости) (табл. 3).

Таблица 3 Относительные значения паро- и газопроницаемости (за 1 принята проницаемость кирпича)

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают появление трещин, ускоряющих разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорожных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооружений.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой:

Вид материала Усадка, мм/м

Древесина (поперек волокон) 30 — 100

Ячеистый бетон 1 — 3

Строительный раствор 0,5 — 1

Кирпич глиняный 0,03 — 0,1

Тяжелый бетон 0,3 — 0,7

Гранит 0,02 — 0,06

Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаляется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений.

Морозостойкость — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15%; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений — трещин, выкрашивания (потери массы — не более 5%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с учетом вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Климатические условия характеризуются среднемесячной температурой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеорологических наблюдений.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз50, Мрз100 и Мрз200, а гидротехнический бетон — до Мрз500.

Рассмотрим причины разрушения пористого материала под влиянием совместного действия на него воды и мороза. Для примера возьмем материал, находящийся в ограждающей конструкции. Осенью наружная часть стены промерзает. В это время происходит миграция (перемещение) пара «от тепла к холоду», т. е. пар стремится наружу, поскольку его давление при отрицательной температуре ниже, чем при положительной. Например, давление пара при +20°С составляет 2,33 кПа, а при — 10°С оно равно только 0,27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар попадает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани стены. Таким образом, поры наружной промерзающей части стены оводняются (рис. 6), причем вода прибывает сюда как снаружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара).

Рис. 6. Распределение температуры в наружной стене здания (а) и заполнение поры водой (б), выделенной вблизи фасадной грани: 1 — адсорбированная вода; 2 — устье поры; 3 — дождевая вода; 4 — конденсат

При наступлении даже небольших морозов (от — 5 до — 8°С) вода в крупных порах замерзает и при переходе в лед увеличивается в объеме на 9% (плотность льда 0,918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается обычно в виде «шелушения» поверхности бетона, затем оно распространяется вглубь.

Воздействие на бетон попеременного замораживания и оттаивания подобно многократному воздействию повторной растягивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории проводят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т. п.). Перед испытанием образцы насыщают водой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в холодильной камере при температуре от — 15 до — 20°С, чтобы замерзла вода в тонких порах. Извлеченные из холодильной камеры образцы оттаивают в воде с температурой 15 — 20°С, что обеспечивает водонасыщенное состояние образцов.

Для оценки морозостойкости все шире применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод.

Рис. 7. Кривая изменения прочности бетона при попеременном замораживании и оттаивании

С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замораживания (рис. 7) и определить марку бетона по морозостойкости в циклах замораживания и оттаивания, число которых соответствует допустимому снижению прочности (AR) или модуля упругости (АЕ).