На асбестоцементные кровельные изделия в период эксплуатации действуют сила тяжести людей, снега, ветра. В результате изменения влажности и температуры в асбестоцементных изделиях возникают напряжения. При замораживании появляются напряжения, вызванные расширением воды, находящейся в порах асбестоцемента. В процессе транспортирования и монтажа асбестоцементные изделия воспринимают нагрузки от ударов. Для того чтобы асбестоцементные изделия успешно эксплуатировались в таких условиях, они должны обладать определенной плотностью, статической и ударной прочностью, морозостойкостью, а также не должны коробиться и деформироваться. Асбестоцементные трубы, как правило, укладывают на значительной глубине в земле. В процессе эксплуатации напорные трубы подвергаются растягивающему напряжению от протекающих по ним жидкости или газа. Поэтому асбестоцементные трубы должны иметь высокие прочность на разрыв, раздавливание и изгиб, водо- и газонепроницаемость, а также коррозионную стойкость при воздействии агрессивных сред, встречающихся в ряде грунтов. Для асбестоцементных изделий, работающих в специальных условиях, важны специфические свойства, например электроизоляционные.
Плотностью называется величина, численно равная массе едииницы объема вещества. Плотность (кг/м3) определяют по формуле: p=m/V,
где m — масса, кг; V — объем, занимаемый материалом без пор и пустот, м3.
Плотность асбестоцемента составляет для непрессованных листовых изделий 35-40 %, для прессованных — 25-30 %.
Средняя плотность — это масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами и пустотами. Среднюю плотность (г/м3, кг/м3) вычисляют по формуле: Pm=m/V,
где m — масса материала в сухом состоянии, кг. (г); V — объем материала, м3 (см3).
Пористость — степень заполнения объема материала порами. Ее определяют по формуле:
Ппор=(1-pm)*100%.
Наличием пористости объясняется способность асбестоцемента впитывать значительное количество влаги, которая характеризуется величиной водопоглощения.
Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Различают массовое и объемное водопоглощение.
Массовое водопоглощение показывает степень увеличения массы материала, а объемное — степень заполнения объема водой.
Массовое водопоглощение WM определяется отношением разности масс материала в насыщенном водой состоянии и сухом состоянии к массе сухого материала по формуле:
Wm= [(m2 — m1)/m1]* 100%,
где m1 и m2 — массы материала соответственно в сухом и насыщенном водой состояниях.
Объемное водопоглощение определяется отношением разности масс материала в насыщенном водой состоянии и сухом состоянии к его объему по формуле:
Wоб= [(m2—m1)/V] *100%,
где V — объем материала в сухом состоянии, м3.
Прочность — способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность материала характеризуется пределом прочности, т. е. наибольшим напряжением, соответствующим нагрузке, при которой происходит разрушение материала.
Прочность асбестоцементных листовых изделий оценивают пределом прочности при изгибе (Rизг) выражается в МПа. Для ее определения образцы, вырезанные из асбестоцементного изделия, устанавливают на две опоры и в середине пролета прикладывают нагрузку, увеличивая ее до тех пор, пока образец не разрушится. Предел прочности при изгибе определяют по формуле: Rизг=( 1,5PI/bc2),
где P — разрушающий груз, Н; l — расстояние между опорами, м; b — ширина испытуемого образца, м; с — толщина образца, м.
Волнистые листы ВО имеют предел прочности не менее 16 МПа, УВ и СВ-40-16-19 МПа, плоские листы -18 — 23 МПа, доски АЦЭИД – 35 — 50 МПа.
Прочность асбестоцемента возрастает с увеличением его плотности. Поэтому изделия, от которых требуется повышенная прочность, подвергают дополнительному прессованию (асбестоцементные листы для конструкций, электроизоляционные доски и пр.).
Асбестоцементные трубы испытывают внутреннее давление на стенки от жидкости и газа, протекающих по трубопроводу. Сопротивление трубы такому давлению характеризуется пределом прочности при разрыве (Rразр). Трубы, предназначаемые для работы под давлением 1,2-1,5 МПа, должны обладать большой прочностью на разрыв. Для получения таких труб используют асбесты высоких сортов и стремятся повышать их плотность. Такие трубы, имеющие плотность 1800-1900 кг/м3, должны обладать пределом прочности при разрыве не менее 22 МПа. Безнапорные асбестоцементные трубы имеют плотность 1600-1700 кг/м3, а предел прочности при разрыве 16-18 МПа.
Поскольку асбестоцементные трубы в процессе эксплуатации находятся в земле иногда на значительной глубине, они подвергаются также раздавливанию и изгибу. Предел прочности при разрыве (МПа) труб определяют по формуле: Rразр=Р(d +S)/(2S),
где Р — внутреннее гидравлическое давление, при котором произошел разрыв образца, МПа; d — внутренний диаметр образца, м; S — толщина образца в месте разрыва, м.
Предел прочности при раздавливании (МПа) определяют по формуле: Rразд=О,955Р(d +S)/(lS2),
где P — разрушающая нагрузка, Н; d — внутренний диаметр образца, м; S — толщина стенки образца в месте разрушения, м; l — длина образца, м.
Предел прочности при изгибе (МПа) определяют по формуле: Rизг=2,547РI(d + 2S)/(d +2S)4—d4,
где Р — разрушающая нагрузка, Н; l— расстояние между опорами, м; d — внутренний диаметр трубы, м; S — толщина стенки трубы вместе разрушения, м.
Несущая способность — величина нагрузки, которую должно выдерживать асбестоцементное изделие без разрушения. Она зависит от прочности асбестоцемента, в частности от предела прочности при изгибе, толщина листа и пролета (расстояния между опорами), на котором уложен лист. Несущая способность волнистых листов зависит также от высоты и шага волны. Несущая способность асбестоцементных конструкций характеризуется разрушающей сосредоточенной нагрузкой от штампа и разрушающей равномерно распределенной нагрузкой.
Величину расчетного сопротивления при действии сосредоточенной нагрузки от штампа определяют по формуле:
Rpacч= Рнормn/(Km),
где Рнорм — нормативная нагрузка от рабочего с инструментом, Н; n — коэффициент перегрузки; K — коэффициент однородности асбестоцемента; m — коэффициент, характеризующий возможное снижение прочности при увлажнении.
Величина расчетного сопротивления при действии сосредоточенной нагрузки от штампа должна быть не ниже 2140 Н
Rpacч = 10000*1,2/(0,7*0,8)= 2140Н.
Такую нагрузку должен выдерживать асбестоцементный волнистый лист. Однако, чтобы не разрушать листы при испытании, их подвергают меньшей нагрузке, например для листов УВ-6 согласно ГОСТ 16233-77 она составляет 1500 Н.
Величину расчетного сопротивления при действии равномерно распределенной нагрузки определяют по формуле:
qpaсч = qнорм n/(Km),
где qнорм — нормативная снеговая нагрузка, МПа; n — коэффициент перегрузки.
Величина расчетного сопротивления при действии равномерно распределенной нагрузки должна быть не ниже 38 МПа:
qpacч= 15*1,4/(0,7*0,8)=38МПа.
Ударная вязкость — механическая характеристика, оценивающая работу разрушения образца при ударном изгибе на маятниковом копре. Ударная вязкость характеризуется отношением работы, затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения в месте разрушения и выражается в Дж/м2. По температурной зависимости ударной вязкости оценивается склонность материала·к хрупкому разрушению. У асбестоцемента этот показатель находится в пределах от 1,5-2*103 до 4-5*103 Дж/м2. Этот показатель относительно не высок, так что даже небольшие удары приводят к заметной потере асбестоцементом прочности.
Морозостойкость — это способность строительных материалов выдерживать попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии (без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности). Вода при замерзании увеличивается в объеме. Увеличение объема воды, находящейся в порах асбестоцемента, вызывает в нем значительные напряжения, снижение прочности и даже разрушение. Количество циклов замораживания и оттаивания, при котором материал разрушается, называется показателем морозостойкости.
Показатель морозостойкости имеет значение для листовых асбестоцементных изделий, предназначенных для службы в ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Эта характеристика менее важна для асбестоцементных труб, поскольку они, как правило, при работе находятся в грунте и в значительно меньшей степени подвергаются температурным колебаниям.
Чтобы обеспечить необходимую морозостойкость, асбестоцемент должен обладать достаточной плотностью. Листовые изделия, предназначенные для укладки в чердачные кровли, должны иметь плотность не ниже 1600 кг/м3, а изделия, применяемые в кровлях промышленных зданий и сооружений,- не ниже 1700-1750 кг/м3. В этом случае первый вид изделий не обнаруживает признаков расслоения и его прочность не снижается более чем на 10% после 25 циклов замораживания и оттаивания. Вторые оказываются достаточно морозостойкими после 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Влажностные и температурные деформации (коробление) — это искажение, изменение формы или размеров тела (или части тела) под действием нагревания, охлаждения, изменения влажности. В процессе твердения асбестоцемента объем изделия сокращается. Это явление вызвано тем, что часть воды, находящейся в материале, связывается цементом, а часть испаряется. Затвердевший асбестоцемент при увлажнении набухает, а при высушивании дает усадку.
Асбестоцементу свойственны деформации и в зависимости от изменения температуры. Величина этих деформаций определяется формулой: ?T=KT?t, где ?T — линейная относительная деформация; КT — коэффициент линейного расширения асбестоцемента; ?t — разность температур, °С. Величина КT для обычного асбестоцемента при изменении температуры от -80° до +70°С равна 0,9*10-5. Лист длиной 3 м при изменении температуры от +30 до -30°С может изменить свою длину на 1,62 мм.
Если асбестоцементное изделие подвергается одностороннему увлажнению (например, во время дождя) или высыханию, более увлажненные слои асбестоцемента стремятся к удлинению, а менее увлажненные препятствуют этой деформации. В результате в изделии возникают напряжения, которые приводят к короблению. Оно характеризуется стрелой коробления, которая определяется на образце с величиной пролета 10 см, подвергнутом одностороннему увлажнению.
Величина коробления снижается с ростом плотности, толщины изделия, увеличением содержания в нем асбеста. Абсолютные значения стрелы коробления в зависимости от указанных факторов колеблются от 0,125 до 0,52 мм. Чтобы уменьшить влажностные деформации в изделиях, их поверхность обрабатывают веществами, которые снижают смачиваемость материала водой. В качестве таких веществ используют кремнийорганические соединения, мылонафт и др. Кроме того, применяют окраску изделий лаками или эмалями. Чтобы предотвратить повреждения листовых изделий от деформаций, их нужно крепить таким образом, чтобы была обеспечена свобода удлинения и укорочения листа.
Водо- и газопроницаемость характеризуют способность материала пропускать через себя под давлением воду или газ. Поскольку напорные асбестоцементные трубы предназначены для транспортирования воды и газа, они должны быть водо- и газонепроницаемыми. Оба показателя в значительной мере зависят от плотности трубы. Асбестоцементные трубы объемной массой 1700-1800 кг/м3 практически водонепроницаемы даже при давлениях 0,9-1,5 МПа.
Газ обладает более высокой, чем вода, способностью проникать через мелкие поры. Поэтому газопроводные асбестоцементные трубы должны обладать более высокой плотностью, чем водопроводные. Для обеспечения высокой газонепроницаемости асбестоцементных труб на их внутреннюю поверхность наносят пленочные покрытия из полимерных материалов.
Коррозионная стойкость — свойство материалов противостоять коррозии. Коррозионная стойкость определяется массой материала, превращенного в продукты коррозии в единицу времени с единицы площади изделия, находящейся во взаимодействии с агрессивной средой, а также размером разрушенного слоя в миллиметрах за год. Асбестоцементные трубы обладают стойкостью по отношению к воздействию щелочей и слабых кислот. Трубы, предназначенные для транспортирования сильнокислых вод или для прокладки в агрессивных грунтах, изготовляют из специальных цементов или на их внутреннюю поверхность наносят защитное покрытие.
Теплопроводность — процесс передачи теплоты вследствие хаотического движения молекул или атомов. Количество теплоты Q, переданное слоем вещества толщиной l, площадью S при поддерживании на его плоскостях разности температур Т2-Т1 за время t, определяется по формуле:
Q= лямбда (T2-T1)St/l,
где лямбда – коэффициент теплопроводности.
Коэффициент теплопроводности (ламбда) характеризуется количеством теплоты, переданной в единицу времени через слой единичной толщины при разности температур поверхностей слоя 10С, если площадь поверхности слоя равна единице. Для асбестоцемента коэффициент теплопроводности колеблется от 0,25 до 0,35 Вт/(м*0С).