Какими физическими свойствами обладают материалы
У любого из материалов имеются физические, механические, теплофизические, прочностные, химические, гидрофизические и многие другие свойства. Но в этой статье мы конкретно разберем именно первые — физические свойства материала. Дадим определение, перечислим конкретно, что под ними скрывается, а также подробно охарактеризуем каждое из свойств.
Определение
Физические свойства материала — все свойства, которые присущи веществам без химического воздействия на них.
Любой материал остается неизменным (самим собой) при одном условии — до тех пор, пока неизменен его состав, а также строение его молекул. Если вещество немолекулярное — пока сохраняется одинаковым его состав и связь между атомами. А уже различия в физических свойствах и иных характеристиках материала помогают разделять смеси, состоящие из него.
Важно знать и то, что физические свойства материала могут быть различными для различных его агрегатных материалов. Скажем, тепловые, электрические, механические, физические, оптические свойства вещества зависят от избранного направления в кристалле.
Наполнение термина
Физические свойства вещества включают такие как:
- Вязкость.
- Температура плавления.
- Плотность.
- Температура кипения.
- Теплопроводность.
- Цвет.
- Консистенция.
- Проницаемость диэлектрическая.
- Абсорбция.
- Теплоемкость.
- Эмиссия.
- Радиоактивность.
- Индуктивность.
- Текучесть.
- Электропроводность.
А физические свойства материала представлены в основном следующим:
- Плотность.
- Пустотность.
- Пористость.
- Гигроскопичность.
- Водопроницаемость.
- Влагоотдача.
- Водопоглощение.
- Воздухостойкость.
- Морозостойкость.
- Термическое сопротивление.
- Теплопроводность.
- Огнестойкость.
- Огнеупорность.
- Радиационная стойкость.
- Химическая стойкость.
- Долговечность.
И физические, и химические, и технологические свойства материалов одинаково важны. Но мы разберем подробнее первую категорию. Представим характеристику самых важных физических свойств конструкционных материалов.
Плотность
Одно из важнейших свойств в материаловедении. Плотность разделяется на три категории:
- Истинная. Масса единицы объема материала, признанного абсолютно плотным.
- Средняя. Это уже масса единицы объема при естественном состоянии материала (с порами и пустотами). Таким образом, средняя плотность изделий из одного и того же материала может быть разной — в зависимости от пустотности и пористости.
- Насыпная. Используется для сыпучих материалов — это песок, щебень, цемент. Так называется отношение массы порошкообразных и зернистых материалов к ко всему занимаемому ими объему (включается в расчеты и пространство между частицами).
Плотность материала влияет на его технологические характеристики — прочность, теплопроводность. Она будет прямо зависеть от пористости и влажности. С увеличением влажности, соответственно, плотность будет повышаться. Это и характерный показатель для определения экономичности материала.
Пористость
Среди физических, технологических и механических свойств материалов не последнее место занимает и пористость. Это степень заполнения объема изделия порами.
В данном контексте поры — это мельчайшие ячейки, заполненные водой или воздухом. Они могут быть крупными и мелкими, открытыми и закрытыми. Если мелкие поры, к примеру, заполнены воздухом, это повышает теплоизоляционные свойства материала. Величина пористости помогает судить и о других важных характеристиках — долговечности, прочности, водопоглощении, плотности.
Открытые поры сообщаются как с окружающей средой, так и между собой, могут искусственно заполняться водой при погружении материала в жидкость. Обычно чередуются с закрытыми. В звукопоглощающих материалах, к примеру, искусственно создается открытая пористость и перфорация — для более интенсивного поглощения звуковой энергии.
Закрытые поры по распределению и размеру характеризуется следующим:
- Интегральная кривая распределения объема пор в единице объема по их радиусам.
- Дифференциальная кривая распределения по радиусам объема пор.
Пустотность
Продолжаем рассматривать физические свойства материалов (плотность, морозостойкость и прочие). Следующее здесь — пустотность. Так именуется количество пустот, которые образуются между отдельными зернами рыхлого, рассыпчатого материала. Это щебень, песок и проч.
Водопроницаемость
Водопроницаемостью называется способность материала отдавать жидкость при его высушивании и поглощать воду при увлажнении.
Во время исследования физических свойств материалов нужно обратить внимание на то, что насыщение водой может проходить двумя путями: при воздействии вещества в жидком состоянии или при воздействии только его пара.
Отсюда выходят и два других важных свойства — это гигроскопичность и водопоглощение.
Гигроскопичность
Как определяется данное физическое свойство материалов в материаловедении? Гигроскопичность — способность поглощать водяные пары и удерживать их внутри себя как следствие капиллярной конденсации. Напрямую зависит от относительной влажности и температуры воздуха, размера, разновидности и количества пор вещества, его природы.
Если материал активно притягивает своей поверхностью молекулы воды, то он называется гидрофильным. Если материал, напротив, отталкивает их от себя, то он носит имя гидрофобного. Помимо этого, отдельные гидрофильные материалы отлично растворяются в воде, в то время как гидрофобные стойко сопротивляются воздействию водных сред.
Водопоглощение
Если рассказывать кратко о физических свойствах строительных материалов, то нельзя не упомянуть о водопоглощении — способности удерживать и впитывать жидкость. Свойство характеризуется объемом воды, впитываемым сухим материалом при его полном погружении в воду. Выражается в процентах от массы (материала).
Водопоглощение будет меньше истинной пористости изделия, так как определенное количество пор в нем остается закрытыми. Поэтому оно будет изменяться от их количества, объема, степени открытости. На величину будет влиять и природа материала, его гидрофильность.
В результате насыщения материала водой остальные его физические свойства порой значительно изменяются: возрастает теплопроводность и плотность, увеличивается объем (характерно для глины, древесины), понижается прочность из-за нарушения связей между отдельными частицами.
Влагоотдача
Это способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Находясь на воздухе, сырье и изделия сохраняют свою влажность только в определенных условиях — при относительной равновесной влажности воздуха. Если показатель ниже этой величины, то материал начинает отдавать влагу в атмосферу, высушиваться.
Скорость этого процесса зависит от нескольких факторов: от разности между влажностью самого материала и влажностью воздуха (чем она больше, тем интенсивнее высушивание), от свойств самого материала — его пористости, природы, гидрофобности. Так, сырье с крупными порами, гидрофобное будет легче отдать жидкость, нежели материал гидрофильный, с мелкими порами.
Воздухостойкость
Воздухостойкостью называется способность материала в течение длительного времени выдерживать многократное систематическое высушивание и увлажнение без потерь своей механической плотности, а также без значительных деформаций.
Какие-то материалы при периодическом увлажнении начинают разбухать, какие-то — дают усадку, какие-то — слишком коробятся. Древесина, например, подвергается знакопеременным деформациям. Цемент при частом увлажнении-высыхании склонен разрушаться, осыпаться.
Водопроницаемость
Это физическое свойство — способность материалов пропускать через себя жидкость под давлением. Характеризуется объемом воды ,которая за 1 час проходит через 1 кв. м материала под давлением в 1 МПа.
Важно отметить, что встречаются и полностью водонепроницаемые материалы. Это сталь, битум, стекло, основные разновидности пластмасс.
Морозостойкость
Важное физическое свойство в российских реалиях. Так зовется способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания без значительного уменьшения прочности, появления видимых признаков разрушения.
Разрушение при этом процессе нередко из-за того, что при замораживании вода увеличивается в своем объеме примерно на 9 %. При этом наибольшее ее расширение при переходе в лед наблюдается при отметке -4 °С. При заполнении пор материала водой, ее расширении и и замерзании, поровые стенки испытывают значительные повреждения, которые и ведут к разрушению материала.
Соответственно, морозостойкость будет определять степень насыщения пор водой, его плотность. Морозостойкими считаются именно плотные материалы. Из пористых в эту категорию можно отнести только те, которые отличаются большим присутствие закрытым пор. Или чьи поры вода заполняет не более чем на 90 %.
Физические свойства способны представить важные способности материалов. Некоторые из них мы уже подробно разобрали в статье. Это способность выдерживать холод, многократные наполнения водой и высушивания, удерживать, впитывать, отдавать жидкость и другие важные характеристики.
К физическим свойствам материала относятся пористость, плотность, водопоглощение, влагоотдача, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, звукопоглощение, огнестойкость, огнеупорность, паропроницаемость и газопроницаемость.
Пористость — определяется степенью заполнения объема материала порами, которая исчисляется в процентах. Пористость влияет на такие свойства материалов как прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и др. По величине пор материалы разделяют на мелкопористые и крупнопористые. Пористость строительных материалов колеблется в широком диапазоне. Так у стекла и металла она равна нулю а у кирпича она составляет — 25-35%.
Плотность — материала бывает средней и истинной. Средняя плотность определяется отношением массы тела ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. и выражается в соотношении кг/м3.
Истинная плотность — предел отношения массы к объему без учета имеющихся в них пустот и пор. У плотных материалов (сталь и гранит) средняя плотность практически равна истинной, у пористых (кирпич…) — меньше истинной.
Истинная и средняя плотность некоторых строительных материалов.
| Материал | Плотность, кг/м3 | |
| истинная | средняя | |
| Сталь | 7850-7900 | 7800-7850 |
| Гранит | 2700-2800 | 2600-2700 |
| Керамический кирпич | 2600-2700 | 1600-1900 |
| Тяжелый бетон | 2600-2900 | 1800-2500 |
Гигроскопичность — свойство пористых материалов поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичные материалы (древесина, теплоизоляционные материалы, кирпичи полусухого прессования и др.) могут поглощать большое количество воды. При этом увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. Для некоторых материалов в условиях повышенной и даже нормальной влажности приходится применять защитные покрытия. А такие материалы, как кирпич сухого прессования можно использовать только в зданиях и помещениях с пониженной влажностью воздуха.
Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. По объему водопоглощение всегда меньше 100%, а по массе может быть более 100%, например у теплоизоляционных материалов. Насыщение материала водой ухудшает его основные свойства, увеличивает теплопроводность и среднюю плотность, уменьшает прочность. Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении называется водостойкостью и характеризуется коэффициентом размягчения. Материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8 относят к водостойким. Их применяют в конструкциях, находящихся в воде, и в местах с повышенной влажностью.
Влагоотдача — свойство материала терять находящуюся в его порах влагу. Влагоотдача характеризуется процентным количеством воды, которое материал теряет за сутки (при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре +20 °С). Влагоотдача имеет большое значение для многих материалов и изделий, например стеновых панелей и блоков, которые в процессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря водоотдаче высыхают — вода испаряется до тех пор, пока не установится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т.е., пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.
Водопроницаемостью — называют способность материала пропускать воду под давлением. Эта характеристика определяется количеством воды, прошедшей при постоянном давлении в течение 1 часа через материал площадью 1 м2 и толщиной 1 м. К водонепроницаемым относятся особо плотные материалы (сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например, бетон специально подобранного состава).
Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без снижения прочности и массы, а также без появления трещин, расслаивания, крошения. Для возведения фундаментов, стен, кровли и других частей здания, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, необходимо применять материалы повышенной морозостойкости. Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, с водопоглощением не более 0,5%, обладают высокой морозостойкостью.
Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту при наличии разности температур снаружи и внутри строения. Эта характеристика зависит от ряда факторов: природы и строения материала, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Кристаллические и крупнопористые материалы, как правило, более теплопроводны, чем материалы аморфного и мелкопористого строения. Материалы, имеющие замкнутые поры, обладают меньшей теплопроводностью, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от средней плотности — чем меньше плотность, тем меньше теплопроводность, и наоборот. Влажные материалы более теплопроводны, чем сухие, так как теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. От теплопроводности зависит толщина стен и перекрытий отапливаемых зданий.
Огнестойкость — свойство материалов противостоять действию высоких температур. По степени огнестойкости материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы (кирпич, бетон, сталь) под действием огня или высоких температур не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, но могут сильно деформироваться. Трудносгораемые материалы (фибролит, асфальтовый бетон и т.д.) тлеют и обугливаются, но после удаления источника огня эти процессы прекращаются. Сгораемые материалы (дерево, рубероид, пластмассы и т. д.) воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть и после удаления источника огня.
Огнеупорность — свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию высоких температур. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, выдерживающие действие температур до 1580 °С и выше (шамотный кирпич), тугоплавкие, выдерживающие действие температур 1350-1580 °С (тугоплавкий кирпич), легкоплавкие, размягчающиеся или разрушающиеся при температуре ниже 1350 °С (керамический кирпич).
Звукопоглощение — способность материала ослаблять интенсивность звука при прохождении его через материал. Звукопоглощение зависит от структуры материала: сообщающиеся открытые поры поглощают звук лучше, чем замкнутые. Лучшими звукоизолирующими показателями обладают многослойные стены и перегородки с чередующимися слоями пористых и плотных материалов.
Воздухо-, газо- и паропроницаемость — характеризуют способность материалов пропускать воздух, газ или водяные пары при разности давлений на противоположных поверхностях ограждения. К примеру, в наружных стенах лучше использовать материалы с довольно большой воздухо- и паропроницаемостью. Тем самым обеспечивается естественная вентиляция в зданиях, где нет кондиционирования воздуха. Поэтому стены жилых зданий, как правило, не отделывают плотными, непроницаемыми материалами. Напротив, в производственных цехах с влажным или мокрым режимом атмосферы устраивают с внутренней стороны стен паронепроницаемые слои, чтобы предотвратить конденсацию водяных паров в толще стенового материала.
Истинная плотность ρ (г/см3) – масса в единице объема материала в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот
Средняя плотность ρ0 (кг/м3) – масса в единице объема материала в естественном состоянии, то есть вместе с порами и пустотами
Насыпная плотность ρн (кг/м3) – отношение массы материала в рыхло-сыпучем состоянии к его объёму.
Пористость – степень заполнения объема материала порами. Различают общую, открытую и закрытую пористость.
Открытая пористость По — количество открытых пор в объеме материала (определяется по водопоглощению)
Закрытая пористость Пз — количество закрытых пор в объеме материала
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — это свойства строительных материалов по отношению к действию воды
Гигроскопичность — свойство пористого материала поглощать водяной пар из воздуха.
Влажностьхарактеризует относительное содержание воды в материале в процентах.
Водопоглощение— способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Величина водопоглощения зависит от структуры материала и, прежде всего от открытой (капиллярной) пористости.
Различают Водопоглощение по массе Вм (%) – отношение массы поглощённой материалом воды mв к массе материала в абсолютно сухом состоянии m
Объёмное водопоглащение Во (%) – отношение объёма поглощённой материалом воды mв/ρв к его объёму в водонасыщенном состоянии V2:
Влажностные деформации — это усадка и набухание. Усадка, (усушка) — уменьшение объема и размеров материала при его высыхании. Оно вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием капиллярных сил, стремящихся их сблизить. Набухание (разбухание) — увеличение объема и размеров материала при его увлажнении. Оно происходит вследствие расклинивающего действия воды и уменьшения капиллярных сил.
Водопроницаемость — способность материала пропускать воду через свою толщу. Характеризуется величиной коэффициента фильтрации Кф (м2/ч), который определяется количеством воды, прошедшим через 1 м2площади в течение 1 ч при постоянном давлении.
Водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду, и она связана с коэффициентом фильтрации обратной зависимостью.
Водостойкостьхарактеризуется коэффициентом размягчения Kр
Морозостойкость-способность материала выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА характеризуют отношение материала к действию тепла.
Теплопроводность — способность материала передавать тепло от тела большей температурой к менее теплому.
Термическое сопротивление R, (м2 оС)/Вт, конструкции толщиной δ равно
Теплоемкость определяется количеством теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру 1 оС.
Огнеупорность — способность материала выдерживать длительное влияние высоких температур под нагрузкой.
Огнестойкость— способность материала выдерживать кратковременное воздействие открытого огня
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВАхарактеризуют способность материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям под влиянием силовых, тепловых, усадочных или других воздействий.
Механические свойства разделяют на:
- деформативные (упругость, пластичность и другие) и
- прочностные (пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная прочность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).
Упругость— свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил
Пластичность– свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки.
Хрупкость— свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации.
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА — это свойства материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов.
Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением), определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича) основной прочностной характеристикой является предел прочности на сжатие.
Предел прочности на сжатие Rсж (МПа) равен максимальному сжимающему напряжению, вызвавшему разрушение материала
Pразр— разрушающая сила, Н; F— площадь сечения до испытания, м2
Предел прочности на сжатие определяют путем нагружения до разрушения стандартных образцов на специальных прессах (испытательных машинах).
По той же формуле определяют предел прочности на растяжение для тex материалов, которые сопротивляются растягивающим напряжениям и деформациям (древесина, металлы и т.п.).
Для многих материалов, (бетон, кирпич, древесина и др.) определяют
Предел прочности на растяжение при изгибе Rизг(МПа) по формулам:
Твердость— свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала.
Твердость каменных материалов, стекла оценивают с помощью шкалы твердости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости (1 —тальк, …10 — алмаз).
Ударная вязкость (динамическая прочность)– свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам, характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образцу на специальных приборах, называемых копрами, отнесенной к единице объема (Дж/см3)
Сопротивление истиранию — свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям, характеризуется истираемостью — потерей массы при истирании образца на кругах истирания, отнесенной к его площади (г/см2)
Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала