1.1. Физические свойства

К важнейшим физическим свойствам дорожно-строительных материалов (ДСМ), определяющим область их использования в строительстве, относятся истинная, средняя и насыпная плотности, пористость и межзерновая пустотность, водопоглощение и водонасыщение, морозостойкость.

Плотность – физическая величина, определяемая массой вещества в единице объема; измеряется в г/см³, кг/м³, кг/л, т/м³.

Истинная (абсолютная) плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала:

ρ = m / v_а,

где m – масса сухого материала, г; v_а – объем материала в абсолютно плотном состоянии, см³.

У каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500 – 3000 кг/м³.

Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800 – 1200 кг/м³. Относительно высокая истинная плотность у древесины – около 1500 кг/м³.

Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м³): алюминий – 2700, сталь – 7850, свинец – 11 300. Плотность воды –1000 кг/м³.

Большинство ДСМ имеют поры, поэтому определение истинной плотности предусматривает измельчение высушенной пробы в порошок. Определение истинной плотности ДСМ изложено в 1.

Средняя (естественная) плотность – масса единицы объема в естественном состоянии с учетом пор, пустот, трещин:

ρ_ср = m / v_ест,

где m – масса сухого образца, г; v_ест – объем образца в естественном состоянии, см³ .

Методы определения средней плотности зависят от формы образца.

Среднюю плотность на образцах правильной геометрической формы (куб, цилиндр, призма) определяют путем замера образца, определения его геометрических размеров и вычисления объема. Затем образец взвешивают и определяют среднюю плотность.

Среднюю плотность образцов неправильной геометрической формы определяют гидростатическим взвешиванием, методика определения описана в 1.

Средняя плотность материала меняется в зависимости от его структуры, поэтому искусственные материалы (бетон, асфальтобетон, керамика) можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить как тяжелый бетон плотностью до 2500 кг/м³, так и особо легкий – плотностью менее 500 кг/м³.

Насыпная плотность – масса единицы объема рыхлого сыпучего материала, учитывающая как поры, пустоты самого материала, так и межзерновую пустотность между его зернами.

ρ_н = m / v_н,

где m – масса сухого рыхлого материала, кг; v_н – насыпной объем, м³ .

Например: истинная плотность известняка 2600 кг/м³, его средняя плотность 2300 кг/м³, а насыпная плотность известнякового щебня 1300 кг/м³. По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня по формулам.

Пористость – степень заполнения материала порами, выражается в долях от объема материала, принимаемого за единицу, или в процентах от объема.

П_общ = (V_ест – V_a) / V_ecт 100.

Обычно пористость рассчитывают, исходя из средней и истинной плотности материала, она может колебаться в пределах от 0 до 98,5 %.

П_общ = (ρ – ρ_ср / ρ)100 = (1 – ρ_ср / ρ)100.

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые (П_з) и открытые (П_отк), мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 5 мм).

П_з = Побщ – Потк.

По характеру пор можно оценить способность материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 98 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает водо- и морозостойкость материала.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, прочность и др.

Межзерновая пустотность – степень заполнения объема рыхлого сыпучего материала пустотами. Пустотность, как и пористость, выражают в долях от объема или в процентах. Вычисляют пустотность по насыпной и средней плотностям материала:

П_мз = (1 – ρ_н / ρ_ср)100.

Пустотность взаимосвязана с зерновым составом рыхлого сыпучего материала. Чем больше одномерных зерен в этом материале, тем выше пустотност.

Гидрофизические свойства. Дорожно-строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения могут поглощать влагу, при этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяется средняя плотность, прочность и другие свойства.

Влажность – содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице материала в сухом состоянии. Влажность W (%) определяют по формуле:

W = (m₁ – m₂) / m₂ 100,

где m₁ – масса материала в естественном влажном состоянии, г; m₂ – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду в своих порах в естественных условиях. Водопоглощение определяют по массе W_m и по объему W_v:

W_m = m₁ – m₂ / m₂ 100;

W_v = W_mρ_ср,

где m₁ – масса материала в насыщенном водой состоянии, г; m₂ – масса сухого материала, г; ρ_ср – средняя плотность материала г/см³.

Водонасыщение – способность материала поглощать воду в принудительных условиях при вакууме или повышенном давлении. В этих условиях открытые поры освобождаются от находящегося в них воздуха и заполняются водой, поэтому водонасыщение материала всегда больше, чем водопоглощение.

Водопоглощение и водонасыщение изменяются в широких пределах: у гранита 0,02–0,7, плотного асфальтобетона 1–3, дорожного цементобетона 2–4, кирпича 8–15 %.

При увлажнении пористого материала изменяются некоторые его свойства и прежде всего уменьшается прочность. Степень снижения прочности материала после его водонасыщения называют водостойкостью. Показателем водостойкости служит коэффициент размягчения:

К_разм = R_вод / R_сух,

где R_вод – предел прочности при сжатии материала в водонасыщенном состоянии; R_сух – предел прочности при сжатии сухого материала.

Коэффициент размягчения колеблется от нуля (глиняные необожженные материалы) до единицы (стекло, сталь). Каменные материалы с коэффициентом размягчения больше 0,8 называют водостойкими.

Морозостойкость (F) – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать определенное количество циклов замораживания и оттаивания без признаков разрушения.

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10 %. В результате стенки пор начинают разрушаться и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания с увлажнением постепенно разрушают материал.

Морозостойкость материала зависит от его пористости и водопоглощения.

Плотные материалы, а также материалы с замкнутыми порами, то есть с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью обладают невысокой морозостойкостью.

Морозостойкость материала характеризуется числом циклов замораживания (при температуре –18 ⁰С) и оттаивания (в воде), которое он выдерживает без снижения прочности и потери массы.

По морозостойкости материалы подразделяют на марки: 15, 25, 50, 100, 150, 200, 300, 400 и т.д.

Теплофизические свойства. Теплопроводность (λ) – способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу от одной своей поверхности к другой в случае, если температура этих поверхностей разная. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в Дж), которое способен передать материал через 1 м² поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К в течение 1 с. Чем больше в материале пор, тем ниже будет его теплопроводность (λ воздуха – 0,023 Вт/м∙К). Некоторые физические свойства приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Материал	Средняя плотность, кг/м3	Пористость, %	Теплопроводность, Вт /м ·К
Гранит	2600–2800	1–0,5	 3
Бетон тяжелый	2200–2400	12–8	1,1–1,3
Кирпич обыкновенный	1600–1800	33–28	0,7–0,8
Пенополистирол	10–50	98–95	0,035–0,03

Если материал влажный, то есть воздух в порах замещен водой, то теплопроводность материала возрастает в 25 раз. При замерзании воды теплопроводность материала повышается еще в 4 раза.

Температурное расширение – способность материала расширяться вследствие нагревания. Температурное расширение характеризуется коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), показывающим, на какую долю первоначальной длины расширился материал при повышении температуры на 1 ⁰С. КЛТР разных материалов значительно отличаются. Например КЛТР пластмасс в 5–10 раз выше, чем у бетона. В то же время КЛТР для бетона и стали практически одинаков и равен (10–14)10^–6 и (11,0–11,9)·10^–6, соответственно.

Теплоемкость (С) – способность материала поглощать при нагревании определенное количество тепла. Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы материала на 1 ⁰С и выражается в Дж/кг·К. Удельная теплоемкость природных и искусственных материалов находится в пределах (0,76–0,96)·10³ Дж/кг∙К; органических материалов 2,7 ∙10³ Дж/кг·К; воды 4,2·10³ Дж/кг∙К.

Огнестойкость – способность материала выдерживать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара.

Огнеупорность – способность материала длительно работать в условиях высоких температур без деформаций и размягчения.