Свойства материалов при действии воды (гидрофизические свойства)

Взаимодействие воды, равно как и других жидкостей, с поверхностями твердых тел проявляется в смачивании, обусловленном силами взаимодействия твердых тел с растворами. Она вызывает растекание жидкости на поверхности и впитывание пористыми телами и порошками. Смачивают твердое тело только те жидкости, которые снижают поверхностное натяжение на границе с воздухом. Способность материала смачиваться водой называется гидрофильностъ, не смачиваться - гидрофобность. В период непосредственного контакта материала с водой его увлажнение происходит благодаря капиллярному всасыванию, диффузии и гидростатическому заполнению водой открытых пор. Свойства, связанные с взаимодействием материалов с водой и жидкостями, называются гидрофизическими.

Водопоглощение - это степень заполнения пор материала водой, характеризуется водопоглощением по массе и по объему:

W_М=(m^BH-m^C)/ m^C*100, % 7

W_V=(m^BH-m^C)/V_О*100, %, 8

r_С= W_V/ W_М, 9

где: m^BH – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; m^C - масса образца в сухом состоянии, г; V_О – общий объем образца, см³.

Водопоглощение по объему характеризует открытую пористость материала W_V=П_отк. В отличие от водопоглощения пористость материала всегда меньше 100%. Водопоглощение плотных материалов (сталь, стекло, битум) приближается к 0%. Во время насыщения водой материалы могут существенно менять механические свойства за счет образования адсорбпионно-активной среды и расклинивающего действия растворителя, растворения вещества на контактах сращивания кристаллов, набухания структуры некоторых минералов и т.п.

Влажность - содержание преимущественно конденсатной влаги в виде тонких молекулярных пленок, адсорбированных на стенках пор в материале и определяется отношением массы воды, находящейся в данный момент в материале, к массе (реже к объему) материала в сухом состоянии и вычисляется по формулам 7 и 8. Влажность изменяется от 0%(для абсолютно сухих материалов) до значения полного водопоглощения и зависит от пористости, гигроскопичности и других свойств материала, а также от состояния окружающей среды - относительной влажности, температуры воздуха, контакта материала с водой.

Поскольку свойства сухих и влажных материалов различны, необходимо учитывать как влажность материала, так и его способность к поглощению воды. Во всех случаях - при транспортирования, хранений и применении, строительные материалы предохраняют от увлажнения.

Водостойкость - способность материала сохранять механические свойства в насыщенном водой состоянии (в основном прочность при сжатии) и характеризуется коэффициентом размягчения:

К_Р = R^BH/R^C, 0...1 10

где R^BH - предел прочности водонасыщенного образца, МПа;

R^C - предел прочности сухого образца, МПа.

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше либо равняется 0,75 называют водостойкими. Повышение водостойкости достигается снижением растворимости и пористости материала, его гидрофобизацией или покрытие водостойкими суспензиями.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без признаков разрушения и без значительного снижения прочности и массы. Морозостойкость - одна из основных характеристик, описывающая долговечность строительных материалов, эксплуатируемых в конструкциях и сооружениях. При смене температурно-влажностных градиентов некоторые материалы разрушаются. Вода, находясь в порах материала, при замерзания увеличивается в объеме примерно на 9...10%. Разрушение материала происходит благодаря развитию значительных внутренних напряжений в результате кристаллизационного действия замерзающей воды. Интенсивность разрушения связана с ростом водопоглощения материала через открытую пористость, а также снижением температуры окружающей среды (т.е. с увеличением объема образующегося льда в материале).

Материалы, для которых установлены стандартом испытания, состоящие из попеременного многократного замораживания при температуре не выше -17°С и оттаивания в воде при температуре +20+2°С, и у которых не появляются трещины, расслаивание, выкрошивание и которые теряют не более 25% прочности и 5% массы, считаются морозостойкими.

Критерием морозостойкости строительных материалов является коэффициент морозостойкости К_МРЗ= R^N/ R^BH - отношение предела прочности при сжатии материала после N циклов испытаний к пределу прочности при сжатии водонасыщенных образцов, не подвергшихся действию отрицательных температур, в эквивалентном возрасте. Для морозостойких материалов К_МРЗ должен быть не менее 0,75.

По морозостойкости, т.е. по числу циклов замораживания и оттаивания, материалы подразделяют на марки: F10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500. Один цикл испытаний (N) на морозостойкость равен: 4 часа замораживания водонасыщенных образцов при температуре -20+3,°С и 4 часа оттаивания в воде при температуре +20+2,°С. Существует ряд ускоренных методов определения морозостойкости. Например, один цикл ускоренного испытания также равен 8 часам: 4 часа кипячения в насыщенном растворе сернокислого натрия и 4 часа высушивания в сушильном шкафу при температуре +105°С. При высушивании в порах материала образуются кристаллы Na₂SO₄ создающие кристаллизационное давление в порах материала. Кроме этого кипячение способствует более глубокому проникновению в поры насыщенного раствора после цикла высушивания. При ускоренном испытании на морозостойкость разрушение материала происходит приблизительно в 5 раз быстрее.