Капиллярное всасывание. Водопроницаемость, водопоглощение материалов.

При непосредственном соприкосновении материалов с водой их увлажнение происходит за счет капиллярного всасывания, диффузии и заполнения водой открытых пор.

Капиллярное всасывание — способность материалов поглощать жидкости в результате их подъема по капиллярам — вызывается силами поверхностного натяжения, возникающими на границе раздела твердой и жидкой фаз и характеризуется высотой подъема /г:

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

При гидрофобизации материалов cos ф изменяет знак и Л<0, т.е. возникает капиллярное давление, препятствующее подъему воды. Например, гидрофобизированный материал с диаметром капилляров около 10 мкм сопротивляется гидростатическому давлению, равному примерно 0,03 МПа (3 м вод. ст.).

Возможность увлажнения материалов за счег капиллярного всасывания необходимо учитывать при эксплуатации зданий и сооружений. Например, для предотвращения увлажнения грунтовыми водами нижних частей зданий устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий их от фундаментов. Капиллярное всасывание можно использовать для пропитки пористых материалов защитными составами.

Степень заполнения пор материала водой характеризуется водопоглощением. Различают водопоглощение по массе Вт и объему Bv:

 

 

где т\ — масса образца, насыщенного водой; m — масса сухого образца; V — объем образца в естественном состоянии; р0 — средняя плотность материала.

Водопоглощение по объему характеризует открытую или так называемую кажущуюся пористость. В отличие от водопоглоще-ния по массе пористость всегда меньше 100%. Для металлов, стекла, фарфора водопоглощение практически равно нулю, гранита 0,5—0,7% (по массе), плотного бетона 2—4, керамического кирпича 8—20, ряда высокопористых теплоизоляционных материалов более 100%. В связи с тем, что с водопоглощением связан ряд других свойств материалов (прочность, морозостойкость, проницаемость и др.), оно при необходимости нормируется.

Для ряда материалов, применяемых при строительстве плотин, резервуаров, коллекторов и других напорных сооружений, важным свойством является водопроницаемость — способность пропускать воду под давлением. Водопроницаемость материалов характеризуется коэффициентом фильтрации £ф, показывающим количество воды VB, просочившейся в течение определенного времени т через единицу площади 5 испытываемого материала толщиной б при разности гидростатического давлениям вод. ст.:
 i/ х

Водопроницаемость или применяемая часто при характеристике материалов водонепроницаемость измеряется также предельным давлением, при котором вода проходит через образец. В зависимости от значения предельного давления (ЫО МПа) для бетонов, например, установлены марки по водонепроницаемости (W2, W4, W6, W8, W12).

При увлажнении материалов могут существенно изменяться их механические свойства за счет создания адсорбционно-актив-ной среды и расклинивающего действия (эффект П. А. Ребин-дера), растворения контактов срастания кристаллов, набухания глинистых минералов и др.

Способность материала сохранять механические свойства при насыщении водой — водостойкость характеризуется коэффициентом размягчения kf

где R„ — прочность образца в насыщенном водой состоянии; Rc — прочность сухого образца.

Коэффициент размягчения может изменяться практически от нуля (известь, размокающая глина и др.) до единицы (сталь, стекло, фарфор, гранит и др.). К водостойким относятся материалы с коэффициентом размягчения не менее 0,8. Повышение водостойкости достигают понижением растворимости и пористости материалов, их гидрофобизацией, пропиткой и покрытием водостойкими составами.

Разрушающее воздействие воды особенно велико при попеременном ее замораживании и оттаивании в порах материала. Оно объясняется развитием значительных внутренних напряжений в материале в результате циклически повторяющегося в заполненных водой порах процесса кристаллизации льда, сопровождающегося увеличением объема на 9%. При этом по мере чередования циклов замораживания и оттаивания в материалах накапливаются остаточные деформации, вызывающие разрушение усталостного типа (рис. 1.2). Интенсивность разрушения увеличивается по мере увеличения водопоглощения, объема открытых пор, понижения температуры замораживания, т. е. увеличения в конечном счете объема льда, образуемого в материале.

Способность насыщенного водой материала не разрушаться при действии знакопеременной температуры называется морозостойкостью. Количественно морозостойкость оценивается марками, равными числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы при снижении прочности не более 5—25% и массы не более 5%. Марки по морозостойкости могут колебаться в широком диапазоне в зависимости от вида материала, его состава, характера пористости и т. д. Например, для кирпича марки по морозостойкости устанавливают в диапазоне F15 — F50, для гидротехнического бетона F50 — F500.

Испытание водонасыщенных образцов на морозостойкость проводят в холодильных камерах последовательным замораживанием образцов обычно при температуре до —20° С и оттаиванием при 15—20° С. Образование льда в наиболее характерных порах материала происходит обычно при температуре от — 15 до —20° С.

Увеличение морозостойкости материалов достигается прежде всего уменьшением открытой, доступной для воды пористости, а также увеличением объема закрытых пор. Закрытые поры, заполненные воздухом, выполняют роль «буферов», ослабляющих давление образуемого льда. Морозостойкость возрастает с повышением водостойкости материалов, их прочности при растяжении.