Определение плотности и пористости

 

Цель работы: Определение истинной плотности, средней плотности и пористости природных каменных материалов.

 

Теоретические положения

Истинная плотность – отношение массы материала к его объему в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Истинная плотность материала (г/см³, кг/м³, т/м³)

 

r = m/V, (1.1)

 

где m – масса материала;

V – объем материала.

 

Средняя плотность – отношений массы материала к его объему в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Плотность (г/см³, кг/м³, т/м³).

 

r₀ = m/V_ест, (1.2)

 

где m – масса материала, г;

V_ест – объем материала в естественном состоянии, см³.

Большинство строительных материалов имеет поры. Чем их больше в единице объема материала, там меньше его плотность. Для жидкостей и материалов, получаемых из расплавленных масс (стекло, металл), средняя плотность по значению практически равна истинной плотности.

От плотности материала в значительной мере зависят его физико-механические свойства, например прочность и теплопроводность. Значение плотности материала используют при определении его пористости, массы и размера строительных конструкций, расчетах транспорта и подъемно-транспортного оборудования. При определении средней плотности материала можно использовать образцы как правильной, так и неправильной геометрической формы. От формы образца зависит метод определения плотности материала.

Пористость материала характеризуется степенью заполнения его объема порами. Пористость (%)

 

П = (1 – r₀/r)100, (1.3)

 

где r₀ – плотность материала, г/см³; r – истинная плотность материала, г/см³.

В объеме материала одновременно могут находиться поры и пустоты. Поры представляют собой мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой; пустоты же – более крупные ячейки и полости, образующиеся между кусками рыхло насыпанного материала. Значение пористости природных каменных и других материалов различно, например: для гранита оно не превышает 2 %, а для известняка – 11–35 %, для стекла и металла – 0, для кирпича – 25–35 %, для обычного тяжелого бетона – 6–15 %, для газобетона – 77–85 %, для поропласта – 90–95 %.

Пористость в значительной степени определяет эксплуатационные свойства материалов: водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

 

1. Определение истинной плотности

каменного материала

Содержание работы

 

Описание оборудования: 1. Технические весы.

2. Ступка с пестиком.

3. Колба-объемомер.

4. Сосуд с водой.

5. Воронка.

6. Термометр.

 

Порядок выполнения работы

 

Для определения истинной плотности каменного материала из отобранной и тщательно перемешанной средней пробы отвешивают 200–220 г. Кусочки отобранной пробы сушат в сушильном шкафу при температуре (110 ± 5) °С до постоянной массы; затем их тонко измельчают в агатовой или фарфоровой ступке. Полученный порошок просеивают через сито с сеткой №02 (размер ячейки в свету 0,2 x 0,2 мм). Отвесив в фарфоровой чашке навеску около 180 г просеянного порошка, его снова высушивают при температуре (110 ± 5) °С, а затем охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе, в котором порошок хранят до проведения испытания. Истинную плотность определяют с помощью прибора-объемомера Ле-Шателье. Это стеклянная колба вместимостью 120–150 см³. Объемомер наполняют до нижней нулевой черты жидкостью (водой, безводным керосином или спиртом), инертной по отношению к порошку материала. После этого свободную от жидкости часть (выше черты) тщательно протирают тампоном из фильтровальной бумаги. Затем объемомер помещают в стекляннный сосуд с водой (рис. 1), имеющей температуру 20 °С (температура, при которой градуировали его шкалу). В воде объемомер остается все время, пока идет испытание. Чтобы объемомер в этом положении не всплывал, его закрепляют на штативе так, чтобы вся градуированная часть шейки находилась в воде.

а б

Рис. 1.

а) объемомер Ле-Шателье;

б) объемомер Ле-Шателье, подготовленный для определения

плотности материала:

1 – штатив, 2 – воронка, 3 – термометр, 4 – объемомер,

5 – сосуд с водой.

От подготовительной пробы, находящейся в эксикаторе, отвешивают с точностью до 0,01 г на технических весах 80 г порошка материала и высыпают его ложечкой через воронку в прибор небольшими порциями до тех пор, пока уровень жидкости в нем не поднимется до черты с делением 20 см³ или до черты в пределах верхней градуированной части прибора. Разность между конечным и начальным уровнями жидкости в объемомере показывает значение объема порошка всыпанного в прибор. Остаток порошка взвешивают. Масса порошка, всыпанного в объемомер, будет равна разности между результатами первого и второго взвешиваний.

Истинная плотность материала (г/см³)

 

r = (m – m ₁)/ V,

 

где m – навеска материала до опыта, г;

m ₁ – остаток от навески, г;

V – объем жидкости, вытесненной навеской материала (объем порошка в объемомере), см³.

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 1 г/см³ как среднее арифметическое двух определений, расхождение между которыми не должно превышать 2 г/см³.

 

Обработка результатов измерений

Материал
Вес всыпанного порошка … г
Объем вытесненной жидкости … см^3
Истинный вес… г/см^3
Средний истинный вес

 

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

 

2. Определение средней плотности образца

правильной геометрической формы

Содержание работы

 

Описание оборудования: 1. Технические весы.

2. Штангенциркуль.

3. Линейка.

 

Порядок выполнения работы:

 

Для определения плотности образцы материала изготовляют в форме куба, параллелепипеда или цилиндра. При этом необходимо учитывать, что для пористых материалов размер образца кубической формы должен быть не менее 100x100x100 мм, а для плотных – не менее 40x40x40 мм. У цилиндрических образцов диаметр и высота должны быть соответственно не менее 70 и 40 мм. Берут три образца и высушивают в сушильном шкафу при температуре (100 ± 5) °С, охлаждают в эксикаторе и хранят в нем до момента испытания.

Штангенциркулем измеряют образцы с точностью до 0,1 мм и вычисляют их объем, после чего взвешивают на технических весах. Каждую грань образца кубической или близкой к ней формы измеряют в трех местах, как показано на рис. 2. За окончательный результат принимают среднее арифметическое трех измерений каждой грани.

 

 

Рис. 2. Схема измерения объема образцов.

 

На каждой из параллельных плоскостей образца цилиндрической формы проводят два взаимно перпендикулярных диаметра (d ₁, d ₂, d ₃, d ₄) и измеряют их длину; кроме того, измеряют диаметры средней части цилиндра (d ₅, d ₆) в середине его высоты (рис. 2, б). За окончательный результат принимают среднее арифметическое шести измерений, диаметра. Высоту цилиндра определяют в четырех местах (h ₁, h ₂, h ₃, h ₄) и за окончательный результат принимают среднее арифметическое четырех измерений.

Образцы любой формы со стороной размером до 100 мм измеряют с точностью до 0,1 мм, размером 100 и более – с точностью до 1 мм. Образцы массой менее 500 г взвешивают с точностью до 0,1 г, а массой более 500 г и более – с точностью до 1 г.

Объем образца (см³), имеющего вид куба или параллелепипеда

 

V = а_ср × b_ср × h_ср, (1.4)

 

где а_ср, b_ср, h_ср – средние значения размером граней образца, см.

Объем образца цилиндрической формы (см³)

 

(1.5)

 

где p = 3,14; d_ср – средний диаметр цилиндра, см;

h_ср – средняя высота цилиндра, см.

Зная объем и массу образца, по формуле (1.1) вычисляют его плотность как среднее арифметическое трех ее значений различных образцов.

 

Обработка результатов измерений

Материал
Ширина … см
Высота … см
Длина … см
Объем … см^3
Вес … г
Средняя плотность

 

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

3. Определение пористости

Содержание работы

Порядок выполнения работы:

 

Пористость материала определяют по формуле 1.3 по полученным результатам истиной плотности и средней плотности.

 

Обработка результатов измерений

Материал
Истинный вес… г/см^3
Плотность … г/см^3
Пористость … %

 

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

 

Контрольные вопросы:

 

1. Какие свойства материалов относят к физическим?

2. По какой формуле определяют истинную плотность, среднюю плотность и пористость?

3. Зачем измельчают материал при определении истинной плотности.

4. В чем различие между средней и истинной плотностью?

5. Какие образцы относят к образцам правильной геометрической формы?

 

Лабораторная работа № 2