Плотность строительных материалов

Плотность строительных материалов представляет собой массу единицы объема абсолютно плотного материала. Плотность ρ (г/см³, кг/м³) — масса единицы объема абсолютно плотного материала. Если масса материала m, а его объем в плотном состоянии Va, то

ρ=m/Va:   (1)

Относительная плотность выражает плотность материала по отношению к плотности воды (это безразмерная величина).

За немногими исключениями (металлы, стекло, мономинералы) строительные материалы пористы. Объем пористого материала в естественном состоянии (т. е. вместе с заключенными в нем порами) Ve слагается из объема твердого вещества Va и объема пор Vп (рис. 1).

Ve=Va+Vп;
Перед определением объема пор пробу материала высушивают в сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы, т. е. до полного удаления гигроскопической влаги. Подготовленную пробу помещают в герметически закрытый сосуд, из которого откачивают воздух, и в вакууме насыщают материал жидкостью. Объем жидкости, полностью заполнившей поровое пространство, равен объему пор в пробе материала. В качестве замещающей жидкости применяют воду и керосин (для цементных материалов).

Для точных измерений объема пор используют сжиженный гелий, учитывая его сверхтекучесть и способность проникать в тонкие поры. Зная объем материала в естественном состоянии и определив объем заключающихся в нем пор, находят объем, занимаемый веществом Va = Ve — Vп, и вычисляют плотность по приведенной выше формуле.

Рисунок-1. Схема составных частей пористого материала:

Va-абсолютный объем; Ve-объем в естественном состоянии ( с порами); Vвод-объем воды ; Vвоз-объем воздуха; Vп-объем пор.

Стандартный метод определения плотности и пористости материалов (бетона, кирпича и др.) предусматривает измельчение предварительно высушенной пробы в порошок, проходящий через сетку с отверстиями 0,25 мм. Абсолютный объем Va навески m порошка измеряют с помощью пикнометра: его принимают равным объему вытесненной порошком жидкости. Плотность вычисляют по формуле (1).

Объемная масса у (г/см³, кг/м³) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем Ve определяется вместе с порами):

ϒ=m/Ve;      (2)

Читай также основные свойства строительных материалов

Значения объемной массы данного материала в сухом ϒ и влажном состояниях ϒв связаны соотношением:

ϒ=ϒв/(1+Wm),где Wm-количество воды в материале, доли от его массы. Объемная масса пористых материалов всегда меньше их плотности. Например, объемная масса легкого бетона -500-1800 кг/м³, а его плотность -2600 кг/м³.Объемная масса строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 ( пористая пластмасса-мипора) до 7850 кг/м³( сталь). Основные свойства распространенных строительных материалов даны в таблицу -1.

Объемная насыпная масса ϒн — масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.). Например, плотность известняка — 2700 кг/м³, его объемная масса —2500 кг/м³, а объемная насыпная масса известнякового щебня -1300 кг/м³.По этим данным можно вычислить пористость известняка и пустотность щебня, пользуясь приведенными ниже формулами.

 

Таблица-1.  Основные свойства строительных материалов (в воздушно-сухом состоянии)

Пористость строительных материалов

 

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:
П=Vп/Vе; (4)

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1 или в % от объема. Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой и описан выше.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности и объемной массы высушенного материала (ρ и ϒ), входящие в формулу для вычисления пористости (в %)

П=(1-ϒ/ρ)100.

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% ( таблица-2).Коэффициент плотности ℜпл — степень заполнения объема материала твердым веществом:ℜпл=ϒ/ρ.

В сумме П+ℜпл=1( или 100%), то есть высушенный материал можно представить состоящим из твердого каркаса, обеспечивающего прочность и воздушных пор.

Открытая пористость П0 равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала Ve:

П0=[(m2-m1)/Ve] 1/ρH2O; где m1 , m2-масса образца  соответственно в сухом и насыщенном водой состоянии.Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористость Пз=П-П0;

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

Рисунок- 2. Интегральные кривые распределения пор по радиусам (пунктиром показана кривая гистерезиса)

Распределение пор по размерам характеризуется:

а) интегральной кривой распределения объема пор по их радиусам в единице объема материала (рис. 2);

б) дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам (рис. 3).

 

Рисунок-3. Дифференциальная кривая распределения пор по радиусам

Ртутная порометрия позволяет определить размер (радиус) пор и объем пор каждого размера, а также оценить форму пор. Ртуть не смачивает большинство неорганических строительных материалов и проникает в поры лишь под действием приложенного давления; при повышении давления ртуть будет проникать во все более мелкие поры, что видно из следующего уравнения:Pd=-4σ cos θ

где Р — прилагаемое давление; d — диаметр пор; σ — поверхностное натяжение ртути; θ — краевой угол смачивания ртути и анализируемого материала.

Уравнение показывает, что при нулевом избыточном давлении несмачивающая жидкость не будет проникать в поры. Диаметр пор для определенного давления получают из приведенного уравнения, правая часть которого для данного материала величина постоянная.

 

Рисунок-4. График зависимости между давлением ртути (в поромере) и размером пор

Уравнение показывает, что при нулевом избыточном давлении несмачивающая жидкость не будет проникать в поры.Диаметр пор для определенного давления получают из приведенного уравнения, правая часть которого для данного материала величина постоянная.На рисунке-4 приведено соотношение между давлением и диаметром пор.

Интегральные кривые распределения пор по их размерам приведены на рис. 2 для четырех различных материалов: по оси x отложены радиусы пор, а по оси у — объем пор данного размера (он равен объему заполняющей их ртути). Кривая 1 характерна для материалов с большим объемом крупных пустот размером более 10 мкм. Гистерезис (на кривой 1) показывает, что поры имеют «бутылочную» форму и некоторый объем ртути в них остается после снятия давления. Кривая 2 получена для порошка с большим объемом пустот (4 — 6 мкм) между зернами. Наоборот, для материала 3 характерна мелкая пористость. Кривая 4 характерна для материала с однородной структурой с порами 0,02 — 0,04 мкм.

В современных поромерах измерение пористости автоматизировано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах.

Дифференциальная кривая распределения объема пор Vп по их размерам (см. рис. 3): (dVп/dr)=ƒv(r),где (dVп/dr)-тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой.Площадь под дифференциальной кривой (на рис. 3 заштрихована) равна суммарному объему пор в единице объема материала.

Удельную поверхность порового пространства вычисляют, используя средний условный радиус пор, или определяют прямыми адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота и другого инертного газа). Удельная поверхность S(см²/г) пропорциональна массе m адсорбированного водяного пара ( или газа), необходимый для полного покрытия мономолекулярным слоем всей внутренней поверхности пор ( в 1г на 1 г сухого материала):

S= (a1N/M) m,где а1-поверхность, покрываемая одной адсорбированной молекулой .Для молекулы воды а1=10,6·10 ^-16см²; N=6,06·10²³-число Авогадро; М-молекулярная масса адсорбированного газа ( для водяного пара М=18)

Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из данных табл. 1, в которой попарно сопоставлены плотные и пористые материалы, имеющие в основном общий химический состав.