Основные физико-механические свойства строительных материалов плотность



жүктеу 1.51 Mb.
бет1/11
Дата28.03.2019
өлшемі1.51 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

1 ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПЛОТНОСТЬ
Плотность – это масса единицы объема материала

(г/см3, кг/м3) (1.1)

где m – масса материала (г, кг);



V – объем материала (см3, м3).

Соотношение между размерностями плотности:



1 г/см3 = 1 т/м3 = 1000 кг/м3=1 кг/дм3 = 1 кг/л
Истинная плотность – масса единицы объема кускового материала в абсолютно плотном состоянии (без пустот и пор)

(г/см3, кг/м3) (1.2)

где m – масса материала (г, кг)



VА – объем материала без пор (см3, м3)
Средняя плотность – масса единицы объема кускового материала в естественном состоянии (c пустотами и порами).

(г/см3, кг/м3) (1.3)

где m – масса материала (г, кг);



VЕ – объем материала c пустотами и порами (см3, м3).
Насыпная плотность – масса единицы объема сыпучего материала в естественно-насыпном состоянии.

( г/см3, кг/м3) (1.4)

где m – масса материала (г, кг, т);



VН – объем материала в насыпном состоянии (см3, м3).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТИННОЙ ПЛОТНОСТИ
Для определения истинной плотности необходимо определить объем плотного материала (без пустот и пор). Для этого пористый материал предварительно измельчают до полной ликвидации пор. Истинная плотность численно равна отношению массы материала к его объему в абсолютно плотном состоянии (без пустот и пор).

, (г/см3, кг/м3) (1.5)

где m – масса материала (г, кг)



VА – объем материала без пор (см3, м3)
Плотность определяют с помощью прибора – объёмомера Ле-Шателье, представляющего собой колбу с расширением в цилиндрической части (рисунок 1.1) и имеющей деления в нижней и верхней частях.

Рисунок 1.1 – Объёмомер Ле-Шателье


Для определения истинной плотности материала из отобранной и тщательно перемешанной средней пробы отвешивают 200 г, высушивают его при температуре (110 + 5)°С до постоянной массы, затем тонко измельчают в агатовой или фарфоровой ступке.

Полученный порошок просеивают через сито №02 (размер ячейки в свету 0,2×0,2 мм) и берут навеску около 180 г просеянного порошка. Объем этого расширения составляет порядка 20 см3.

Объемомер наполняют до нижнего нулевого или любого другого деления жидкостью, инертной к испытуемому материалу (водой, безводным керосином или спиртом). Тщательно протирают тампоном или фильтрованной бумагой свободную от жидкости часть объемомера и помещают его в стеклянный сосуд с водой, имеющей температуру (20+1)°С (рисунок 1.2).

1 – штатив; 2 – воронка; 3 – термометр;

4 – объемомер, 5 – емкость

Рисунок 1.2 – Прибор для определения истинной

плотности материала

Через 5 мин после помещения объемомера в воду, отмечают уровень жидкости, пользуясь делениями в нижней части шкалы прибора. Затем от подготовленной пробы порошка материала отвешивают с точностью до 0,01 г на технических весах навеску 80 г и через воронку высыпают материал в объемомер порциями до тех пор, пока уровень жидкости в нем не поднимется до одного из делений в верхней части шкалы прибора.

Разность между конечным и начальным уровнями жидкости в объемомере показывает объем порошка V, высыпанного в прибор. Остаток порошка взвешивают и по разности между начальной навеской m и остатком m1 определяют массу порошка, высыпанного в объемомер.

Плотность материала в г/см3 равна


, (1.6)

где m – первоначальная навеска материала, г;



m1 – остаток от навески материала, г;

V – объем жидкости, вытесненной порошком, см3.
Плотность материала определяют с точностью до 0,01 г/см3, как среднее арифметическое 2-х отдельных определений на разных навесках.

Для ориентировочного определения плотности материала можно воспользоваться мерным цилиндром емкостью от 100 до 250 см3 с ценой деления 1 или 2 см3. В этом случае в цилиндр наливают жидкость на 1/3 его объема, отмечают уровень по нижнему мениску жидкости, затем осторожно (через воронку) высыпают в него навеску порошка материала массой 100 г и вновь отмечают уровень жидкости. По разности конечного и начального уровней жидкости (по нижнему мениску) определяют объем высыпанного в цилиндр порошка. Затем по приведенной ниже формуле определяют плотность материала.

Истинная плотность материала в г/см3 равна:
, (1.7)
где m – навеска материала, г;

V2 – объем жидкости с материалом (по мениску), см3;

V1 – первоначальный объем жидкости (по мениску), см3.
1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ
Для определения средней плотности необходимо определить объем материала в естественном состоянии (с пустотами и порами). Для этого пористый материал предварительно покрывают парафином (парафинируют) или насыщают водой.

Средняя плотность численно равна отношению массы образца материала к его объему в естественном состоянии (вместе с пустотами и порами):

, (1.8)

где m – масса образца материала (г, кг);



VЕ – объем образца в естественном состоянии (см3, м3).
Большинство строительных материалов имеют поры. Чем их больше в материале, тем меньше его средняя плотность.

При определении средней плотности материала можно использовать образцы как правильной, так и неправильной геометрической формы. От формы образца зависит метод определения его объема для последующего расчета средней плотности материала.

1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ ОБРАЗЦОВ ПРАВИЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
Для определения средней плотности материала готовят образцы в форме куба, параллелепипеда или цилиндра. Берут три образца и высушивают их в шкафу при температуре (105±5)°С охлаждают в эксикаторе и хранят в нем до момента испытания.

Штангенциркулем измеряют образцы с точностью до 0,1 мм как это показано на рисунке 1.3.



а – образец в форме параллелепипеда;

б – образец в форме цилиндра

Рисунок 1.3 – Схема измерения объема образцов материала


За окончательный результат принимают среднее арифметическое трех измерений каждой грани куба или параллелепипеда (рисунок 1.3, а).

На каждой из параллельных плоскостей образца цилиндрической формы (рисунок 1.3, б) проводят два взаимно перпендикулярных диаметра (d1, d2, d3, d4) и измеряют их длину; кроме того, измеряют диаметры средней части цилиндра (d5, d6) в середине его высоты. За окончательный результат принимают среднее арифметическое шести измерений диаметра.

Высоту цилиндра определяют в четырех местах по образующим в двух взаимно перпендикулярных направлениях, за окончательный результат принимают среднее арифметическое 4-х измерений.

Объем образца VП (см3), имеющего форму параллелепипеда:


VП = aс× bс × сс , (1.9)

где ас, bс, сс – средние значения размеров граней образца, см.


Объем образца цилиндрической формы VЦ (см3):

, (1.10)

где dс – средний диаметр цилиндра, см;



hс – средняя высота цилиндра, см.
Затем каждый образец взвешивают с точностью до 0,1 г при массе образца до 500 г и до 1 г, если масса образца более 500 г. Зная массу и объем образца, вычисляют его плотность (г/см3) по формуле (1.8). Определение плотности материала производят на 3-х образцах.
1.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ ОБРАЗЦОВ НЕПРАВИЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ
При определении плотности образца применяют метод, основанный на вытеснении образцом из сосуда жидкости, в которую его погружают. Для этого используют объемомер или гидростатические весы.
Методика определения средней плотности

с помощью объемомера
Для определения плотности используют прибор объемомер (рисунок 1.4), представляющий собой металлический или стеклянный цилиндр (1) диаметром 150 мм и высотой 350 мм с впаянной на высоте 250 мм трубкой (2) диаметром 8–10 мм с загнутым вниз концом.


1 – цилиндр; 2 – трубка; 3 – образец; 4 – стакан

Рисунок 1.3 – Объемомер


Объемомер наполняют водой несколько выше трубки и ждут, пока избыток воды стечет, затем под трубку подставляют взвешенный стакан (4).

Каждый образец (3) высушивают, взвешивают m1, а затем парафинируют, и снова взвешивают m2.

При погружении испытуемого парафинированного образца в объемомер, вытесняемая вода будет вытекать через трубку в стакан, который вместе с водой взвешивают, определяя массу вытесненной воды mВ.

Плотность образца вычисляют следующим образом.

Вначале определяют объем парафина VП, затраченного на покрытие образца:

, (1.10)

где m1масса сухого образца, г;



m2 – масса парафинированного образца, г;

П – истинная плотность парафина, равная 0,93 г/см3.


Затем вычисляют среднюю плотность образца (г/см3):

, (1.11)
где m1 – масса сухого образца материала, г;

m2 – масса парафинированного образца, г;

mВ – масса вытесненной воды, г;

VПО – объем парафинированного образца, см3;

VП – объем парафина, см3;

В – истинная плотность воды, равная 1 г/см3;

П – истинная плотность парафина, равная 0,93 г/см3.
В качестве объемомера допускается использовать мерные цилиндры объемом 100–500 см3 в зависимости от размера испытуемого образца.
Методика определения средней плотности методом

гидростатического взвешивания
Образец неправильной геометрической формы высушивают до постоянной массы, взвешивают на технических весах m1, затем парафинируют и снова взвешивают m2. Затем его подвешивают на тонкой нити к крючку приспособления, закрепленного на левом конце коромысла гидростатических весов (рисунок 1.4).


Рисунок 1.4 – Гидростатические весы

Массу образца уравновешивают гирями, устанавливая их на правую чашу Р1. Образец погружают в стакан с водой так, чтобы он не касался стенок и дна.

При этом равновесие весов нарушается и весы снова уравновешивают, сняв с правой чаши часть гирь, и определяют вес образца в воде Р2.

Разность значений весов парафинированного образца на воздухе Р1 и в воде Р2 численно равна массе вытесненной воды, а ее объем соответствует объему парафинированного образца VПО.

Далее по формуле определяют плотность образца:

, (1.12)
где m1 – масса сухого образца материала, г;

m – масса парафинированного образца, г;

mВ – масса вытесненной воды, г;

Р1 – вес образца на воздухе, г;

Р2 – вес образца в воде, г;

В – плотность воды, равная 1 г/см3;

П – плотность парафина, равная 0,93 г/см3.

Плотность материала вычисляют как среднее арифметическое определений трех образцов.


Методика определения средней плотности

методом предварительного насыщения водой
Среднюю плотность также можно определить без парафинирования образцов, насыщая их водой.

Ход определения: взвешивают сухой образец m1, затем насыщают его водой до постоянной массы, заполняя все открытые поры водой.

Затем определяют объем насыщенного водой образца VВ

Далее по формуле определяют плотность образца:



, (1.12)
где m1 – масса сухого образца материала, г;

m2 – масса парафинированного образца, г;

Р1 – вес образца на воздухе, г;

Р2 – вес образца в воде, г;

В – плотность воды, равная 1 г/см3;

П – плотность парафина, равная 0,93 г/см3.
Затем его подвешивают на тонкой нити к крючку приспособления, закрепленного на левом конце коромысла гидростатических весов (рисунок 1.4)

Массу образца уравновешивают гирями, устанавливая их на правую чашу Р1. Образец погружают в стакан с водой так, чтобы он не касался стенок и дна.

Для ориентировочного определения плотности материала можно воспользоваться мерным цилиндром емкостью от 100 до 250 см3 с ценой деления 1 или 2 см3. В этом случае в цилиндр наливают жидкость на 1/3 его объема, отмечают уровень по нижнему мениску жидкости, затем осторожно высыпают в него навеску порошка материала массой 50-100 г и вновь отмечают уровень жидкости. По разности конечного и начального уровней определяют объем высыпанного в цилиндр порошка. Затем по приведенной ниже формуле определяют плотность материала.

Средняя плотность материала в г/см3 равна:



, (1.13)

где m – навеска материала, г;



V2 – объем жидкости с материалом (по мениску), см3;

V1 – первоначальный объем жидкости (по мениску), см3.
Плотность материала вычисляют как среднее арифметическое определений 3-х образцов.

  1. 1.4 ПОРИСТОСТЬ



  2. Пористость материала характеризует степень заполнения его объема воздушными порами и численно равна отношению объема пор VП к объему образца в естественном состоянии VЕ:

(1.14)

Пористость П кускового материала связана с его средней плотностью С и истинной плотностью И следующим соотношением:



(1.15)
, (1.16)

где VП – объем пор в куске материала, см3;



VЕ – объем материала в естественном состоянии (с порами), см3;

VА – объем материала в абсолютно плотном состоянии (без пор), см3;

m1 – масса образца материала с сухом состоянии, г;

С – средняя плотность кускового материала, г/см3;

И – истинная плотность кускового материала, г/см3.
Пористость выражают в долях (формула 1.14) или в процентах (формула 1.15) от объема материала.

Пористость и ее вид (открытая и закрытая) в значительной степени определяет свойства материалов: водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, теплопроводность, плотность.



Открытая пористость ПО равна отношению суммарного объема всех открытых пор VО, насыщающихся водой, к объему материала в естественном состоянии VЕ

(1.17)

, (1.18)

где ПО – открытая пористость кускового материала в долях или процентах;



VО – объем открытых пор в куске материала, см3;

VЕ – объем материала в естественном состоянии (с порами), см3;

m1 – масса образца материала в сухом состоянии, г;

m2масса образца материала, насыщенного водой, г;

mВ – масса воды, поглощенной образцом материала, г;

В – истинная плотность воды, г/см3.

Открытую пористость выражают в долях (формула 1.16) или в процентах (формула 1.17) от объема материала.
Закрытая пористость ПЗ равна разности между общей пористостью П и открытой пористостью ПО:
ПЗ = П – ПО; (1.19)

(1.20)

. (1.21)
Коэффициент плотности КПЛ характеризует степень заполнения объема материала твердым веществом и равен отношению объема материала в абсолютно плотом состоянии VА к объему материала в естественном состоянии VС:

(1.22)
. (1.23)
Коэффициент насыщения пор КН равен отношению открытой пористости ПО к общей пористости П и характеризует степень насыщения объема материала водой:

(1.24)
Коэффициент насыщения пор может изменяться от 0 (стекло, металл, гранит – все поры в материале замкнутые) до 1 (минеральная или стеклянная вата – все поры открытые).
1.5 ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ
Гигроскопичность WГ – свойство материала поглощать водяной пар из воздуха. Это обусловлено осаждением водяного пара на внутренних поверхностях пор и капиллярной конденсацией.

, (1.25)

где WГ – гигроскопическая влажность, доли или проценты;



m1 масса образца в сухом состоянии, г;

m2 масса образца в увлажненном состоянии, г.
Этот физико-химический процесс называется сорбцией. Он является обратимым и повышается с повышением давления водяного пара (с увеличением относительной влажности воздуха при постоянной температуре).
1.6 ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ
Водопоглощение – способность материала поглощать и удерживать в порах воду. По величине водопоглощения можно характеризовать открытую пористость материала. При этом часть открытых мелких пор и все замкнутые поры водой не насыщаются.

Водопоглощение подразделяют на два вида – по массе Wm и по объему WV.



Водопоглощение по массе Wm равно отношению массы воды mВ, поглощенной образцом при насыщении его водой, к массе сухого образца m1:

(1.26)

, (1.27)

где Wm – водопоглощение по массе, доли или проценты;



mВ масса воды, поглощенной образцом, г;

m1 масса образца в сухом состоянии, г;

m2 масса образца в насыщенном водой состоянии, г.
Водопоглощение по массе Wm выражают в долях (формула 1.26) или в процентах (формула 1.27).

Водопоглощение по объему WV равно отношению объема поглощенной образцом воды VВ к объему образца в естественном состоянии VЕ (вместе с порами и пустотами):
(1.28) (1.28)
, (1.29)

где WV – водопоглощение по объему, доли или проценты;



m1 – масса образца материала в сухом состоянии, г;

m2 – масса образца материала, насыщенного водой, г;

mВ – масса воды, поглощенной образцом материала, г;

VЕ – объем материала в естественном состоянии, см3;

В – истинная плотность воды, равная 1 г/см3.


Водопоглощение по объему WV выражают в долях (формула 1.28) или в процентах (формула 1.29).

Отношение водопоглощения по объему WV к водопоглощению по массе Wm равно отношению средней плотности материала С к плотности воды В:



;

. (1.30)
Методика определения водопоглощения
Образцы в количестве 3-х шт. высушивают при температуре (110+5)°С до постоянной массы, затем взвешивают m1 после их остывания на воздухе.

После сушки образцы укладывают в сосуд с водой с температурой 15–20°С на решетку так, чтобы уровень воды в нем был выше верха образцов на 2–10 см. Образцы плотностью менее 1000 кг/м3 пригружают, чтобы они не всплывали. Через 48 ч выдерживания в воде образцы извлекают из сосуда, обтирают влажной тканью и немедленно взвешивают m2. Массу воды, вытекшей из образца на чашу весов, включают в массу насыщенного водой образца m2.

Водопоглощение по массе Wm и объему WV вычисляют по формулам 1.25 и 1.27 как среднее арифметическое испытаний трех образцов.

Для ускоренного определения водопоглощения каменных материалов применяют способ кипячения. Высушенные до постоянной массы m1 образцы погружают в сосуд с водой и кипятят в течение 4 ч, после чего их охлаждают до температуры 20–30°С путем доливания в сосуд холодной воды. Затем образцы вынимают из сосуда, обтирают влажной тканью, сразу взвешивают m2 и вычисляют водопоглощение. Водопоглощение по массе Wm гранита, габбро, кварцита и других плотных горных пород составляет 0,1–1%; известняка – колеблется в широких пределах от 0,5 до 25%; стеклянной и минеральной ваты – до 600%. Водопоглощение по объему Wm любых материалов не может превышать 100%.


1.7 КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМЯГЧЕНИЯ

Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет