Какие свойства материалов зависят от пористости

Плотность материалов: истинная, средняя, насыпная, относительная. Методики определения плотности. Зависимость свойств материалов от их плотности.

Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью, а также пористостью.

Средняя плотность ρ0(г/см3, кг/м3) – масса единицы объема материала в естественном состоянии.

Среднюю плотность вычисляют путем деления массы образца m, г (кг), на его геометрический объем V, см3 (м3)

ρ0=m/V

При изменении температуры и влажности среды, окружающей материал, меняется его влажность, а следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель средней плотности определяют после предварительной сушки материала до постоянной массы или вычисляют по формуле:

где ρw и ρ0 средняя плотность влажного и сухого материала; W – количество воды в материале (доля от его массы).

Метод определения средней плотности зависит от формы образца материала.

Насыпной плотностью называется отношение массы материала в свободном рыхло насыпанном состоянии к его объему.

Определение насыпной плотности сыпучих материалов производят засыпкой их в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см через воронку или без нее. Объем материала определяют по объему цилиндра. Воронка обеспечивает равномерное заполнение мерного цилиндра материалом. Образовавшуюся (без уплотнения) над краями цилиндра горку материала срезают ножом или линейкой. После этого цилиндр с материалом взвешивают. Насыпную плотность материала рассчитывают по формуле:

где – масса пустого мерного цилиндра; – масса цилиндра, заполненного испытываемым материалом; V – объем мерного цилиндра.

Истинной плотностью ρ (г/см3, кг/м3) называют массу единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии без учета имеющихся в нем пор.

Для определения абсолютного объема образцы измельчают в порошок до полного прохождения через сито с размером отверстий 0,2 мм. (Считается, что каждое отдельное зерно такого размера не содержит внутренних пор.)

Истинную плотность определяют в приборе Ле-Шателье – Кандло. Прибор представляет собой стеклянную колбу с узкой трубкой, имеющей шарообразное уширение в средней части. На трубке ниже уровня уширения имеется черта; верхняя часть трубки градуирована делениями и заканчивается воронкой.

Объем трубки между нижней чертой и нижним делением градуированной части равен 20 см3. Прибор заполняют дистиллированной водой до уровня нижней черты, уровень устанавливают по нижнему мениску, затем взвешивают сухой измельченный образец массой m1, г. Порошок всыпают в прибор до тех пор, пока уровень воды в приборе не поднимется до нижнего деления градуированной части. Тогда абсолютный объем порошка, засыпанного в прибор, равен объему вытесненной воды – 20 см3. Остаток порошка взвешивают и подсчитывают массу порошка, всыпанного в прибор, по формуле:

m = m1-m2

Истинную плотность вычисляют по формуле:

Часто плотность материалов относят к плотности воды при температуре равной 4 0C, равной 1 г/см3 , и тогда определяемая плотность становится безразмерной величиной, которую называют относительной плотностью d.

Большинство строительных материалов имеет поры, поэтому истинная плотность у них всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (сталь, стекло) истинная и средняя плотность практически равны, так как объем внутренних пор у этих материалов ничтожно мал.

Пористость материалов. Определение пористости. Влияние пористости на свойства материалов.

Пористостью называют степень заполнения общего объема материала порами (отношение объема пор к объему образца). Пористость подразделяется на открытую, закрытую и общую пористости, от величины которых зависят водопоглощение, водо-, газо- и паропроницаемость строительных материалов. С пористостью связаны также такие свойства материалов как прочность, теплопроводность, морозостойкость, звукопроницаемость и др.

Общей (истинной) пористостью называется весь объем пор в данном объеме материала. Общую пористость Побщ , %, вычисляют по формуле:

Открытой пористостью материала называется объем тех пор, которые сообщаются с внешней средой. Их объем может быть измерен путем водонасыщения материала. Открытую пористость, Поткр , % , вычисляют по формуле:

где – масса образца соответственно в насыщенном водой и сухом состоянии; V – объем материала; ρв – плотность воды.

Закрытую пористость Пзакр находят по разности между общей и открытой пористостью:

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90-98% (пенопласт). Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размеров в сотые и тысячные миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2-5 мм).

По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95% имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую, благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду. Открытые поры увеличивают водопоглощение и ухудшают морозостойкость. В звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала.

Величина прочности также зависит от размеров пор: она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых материалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов.

Физическое состояние строительных материалов достаточно полно характеризуется средней и истинной плотностью и пористостью.

Средняя плотность ρс — масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в ГОСТ. Среднюю плотность (в кг/м3, кг/дм3, г/см3) вычисляют по формуле:

где m — масса материала, кг, г; Vе — объем материала, м3, дм3, см3.

При изменении температуры и влажности среды, окружающий материал, меняется его влажность, а следовательно, и средняя плотность. Поэтому показатель средней плотности определяют после предварительной просушки материала до постоянной массы или вычисляют по формуле:

ω-количество воды в материале (доля от его массы);

рмв и рмс-средняя плотность влажного и сухого материала.

Среднюю плотность сыпучих материалов — щебня, гравия, песка, цемента и др. — называют насыпной плотностью. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.

Средняя плотность большинства материалов обычно меньше их истинной плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.

Средняя плотность материала является важной характеристикой при расчете прочности сооружения с учетом собственной массы, для определения способа и стоимости перевозки материала, для расчета складов и подъемно-транспортного оборудования. По величине средней плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между средней плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов (известняков) — между прочностью и плотностью.

Истинная плотность ρu — масса единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без пор и пустот. Вычисляется она в кг/м3, кг/дм3, г/см3 по формуле:

где m — масса материала, кг, г; Vа — объем материала в плотном состоянии, м3, дм3, см3.

Истинная плотность каждого материала — постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Относительная плотность d — отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4°С, имеющая плотность 1000 кг/м3. Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле:

Большинство строительных материалов имеют поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (стали, стекла, битума и др.) истинная и средняя плотности практически равны, так как объем внутренних пор у них ничтожно мал.

Пористость П — степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в % по формуле:

где ρс, ρu — средняя и истинная плотности материала.

Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.

Выделяют пористость общую, открытую и закрытую:

По-открытая пористость;

М1, м2-массы материалов в сухом и водонасыщенном состоянии соответственно

Пз-закрытая пористость:

Пз=П-По

Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость). Истинная, средняя плотности и пористость материалов — взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства материалов.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и описан ранее.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. По величине они могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Более крупные поры, например между зернами сыпучих материалов, или полости, имеющиеся, в некоторых изделиях (пустотелый кирпич, панели из железобетона), называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом или водой; в пустотах, особенно в широкополостных, вода не может задерживаться и вытекает.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры–сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.

Сведения о пористости материала позволяют определять целесообразные области его применения.

1) Плотность бывает 4-х видов:

а) Истинная плотность – масса единицы объёма материала, находящегося в абсолютно плотном состоянии (без пор). (г/см3,кг/м3).   ρ= m / Va

б) Средняя плотность – это масса единицы объёма материала, находящегося в естественном состоянии, т.е. вместе с порами. (г/см3,кг/м3).   ρ m = m / Ve

в) Насыпная плотность – масса единицы объёма рыхло насыпанных зернистых материалов. (г/см3,кг/м3). ρн= m / V м

г) Относительная плотность – безразмерная величина, получаемая делением средней плотности данного материала на плотность воды. d = ρm / ρ воды

2) Пористость – степень заполнения объёма материала порами. (%). П=( V п / V е )·100%П= V п / V е =( Ve – Va )/ Ve =1- V а / V е =1-( m / ρ )/( m / ρm )=1-ρ m /ρП=(1-ρ m /ρ)·100%

Пористость может быть открытой и закрытой.

а) Открытая пористость – определяется отношением объёма пор насыщающихся водой при обычных условиях ко всему объёму материала. По=(( m в – mc )/ Ve )·(1/ ρ воды )

б) Закрытая пористость.Пз=П-По

3) Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости. Плотность зависит от пористости, т.е. плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счёт открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создаётся открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии. С повышением пористости материала увеличивается гигроскопичность и водопоглощение. А водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой.

III. Природные каменные материалы.

Классификация горных пород по условиям образования. Основные области применения нерудных материалов в строительстве.

Признаком, по которому принято классифицировать горные породы, является генетический признак, т.е. по условиям образования.

А. Изверженные или магматические или первичные горные породы – образовались в литосфере в результате охлаждения и отвердевания магмы.

1) Глубинные или интрузивные горные породы – образовались в глубине литосферы в результате медленного и равномерного охлаждения магмы под влиянием вышерасположенных земных слоёв. Характерны зернистокристалическая и полнокристаллическая структуры. Представители – гранит, диорит, габбро, перидотит, пироксенит.

2) Излившиеся или эффузивные горные породы.

    а) Излившиеся плотные горные породы – образовались в верхних горизонтах литосферы при более быстром и менее равномерном охлаждении магмы. Характерна порфировая структура, в основной стекловидной массе породы распределены, так называемые, порфировые вкрапленники (крупные кристаллы). Представители – кварцевый и бескварцевые порфиры, базальт, трахит, диабаз, порфирит, андезит.

    б) Излившиеся пористые горные породы – образовались в результате быстрого охлаждения магмы на поверхности литосферы. Такие условия охлаждения обуславливают стеклообразное пористое строение. Представители – вулканический пепел, стекло, вулканический туф, пемза, туфовая лава.

Б. Осадочные или вторичные горные породы – образовались из магматических горных пород в поверхностных слоях литосферы в результате разрушения последних из-за выветривания (чередования температур, чередования увлажнения и высушивания, воздействия ветра), химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности растений и животных.

1) Механические горные породы – являются продуктами механического разрушения каких-либо материнских пород и сложены преимущественно обломками устойчивых к выветриванию минералов и пород.

  а) Рыхлые механические горные породы – образовались в результате накопления крупных обломков. Представители – песок, гравий, природный щебень, галька.

  б) Сцементированные механические горные породы – образовались из рыхлых механических отложений в результате сцементирования последних «природными цементами» (известковые, кремнистые, глинистые, железные). Представители – песчаники, конгломераты, брекчии.

2) Химические горные породы – образовались в результате осаждения из концентрированных водных растворов. Представители – гипс, доломит, магнезит, некоторые виды известняков, известковый туф, ангидрит.

3) Органогенные отложения – образовались при непосредственном или косвенном участии организмов. Представители – известняки, мел, диатомит, трепел, опока.

   а) Фитогенные.

   б) Зоогенные.

В. Метаморфические или видоизменённые горные породы – образовались из-за значительного преобразования магматических пород, из-за изменившихся в литосфере физико-химических условий. Происходят глубокие изменения минерального состава, строения и свойств первоначальных пород. Основными факторами метаморфизма являются: высокие температуры, давления газов, воздействия расплавов, механические воздействия. Представители – гнейс, мрамор, кварцит, глинистые и кремнистые сланцы.

Основные области применения:  

ПГС – возведение фундаментов и стен, декоративная и защитная облицовка строительных конструкций, настилка полов, изготовление элементов лестниц и ограждений.

Дорожное строительство – изготовление дорожных плит и камней + бордюрные камни. Изготовление элементов мостов, опор подземных сооружений, облицовок набережных, опоров мостов. Для защиты конструкций от воздействия кислот, щелочей, высоких температур.

Как сырьё для производства искусственных строительных материалов.