Свойства, характеризующие особенности физического состояния материалов

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

Истинная плотность ρ (кг/м³; г/см³) — масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, т.е. без пор и пустот.

Истинная плотность каждого вещества — постоянная характеристика (физическая константа), которая не может быть изменена, как, например,  средняя плотность материала, без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Истинную плотность находят по формуле:

ρ = m/V_a,                                                  (1.1)

где m — масса материала, г; V_a — объем в абсолютно плотном состоянии (без пор), см³;

V_a=V—V_n; V — объем материала в естественном состоянии; V_п — объем заключающихся в нем пор.

Стандартный метод определения истинной плотности предусматривает измельчение материала в порошок и определение V_а с помощью  объемометра Ле-Шателье или пикнометра по величине объема вытесненной жидкости известной массой этого порошка.

Объем пор в материале V_n можно определить экспериментально по объему жидкости (воды, керосина), заполнившей поровое пространство материала при его насыщении под вакуумом. При точных измерениях объема пор используют сжиженный гелий или ртуть,  которые способны проникать в тонкие поры материала.

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.

Средняя плотность ρ_о (г/см³) — масса единицы объема материала в естественном виде (вместе с порами и пустотами)

ρ_о=m/V,                                                       (1.2)

где m — масса образца материала, г; V— объем образца в естественном виде, см³.

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 — между прочностью и средней плотностью. Средняя плотность материала является нужной характеристикой при расчете прочности сооружения с учетом собственной массы, для определения способа и стоимости перевозки материала, для расчета складов и подъемно-транспортного оборудования.

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

ρ_о = ρ_оb/(1 + w),                                                    (1.3)

где w — количество   воды в материале    (доля воды  от  его массы).

Плотность различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах (табл. 1.1).

Часто среднюю плотность материала относят к плотности воды при 4 °С, равной 1 г/см³, и тогда определяемая плотность становится как бы безразмерной величиной, которую называют относительной плотностью d. (d=ρ_о/ρ_воды).

Для ряда простых технических расчетов определяют коэффициент плотности, характеризующий степень заполнения объема материала веществом:

K_пл = V/V_а.                                               (1.4)

После подстановки в формулу значений V_a и V

К_пл = ρ_о/ρ,   или    К_пл = (ρ_о/ρ) 100%.                        (1.5)

Таблица 1.1.

Плотность некоторых строительных материалов

*У сыпучих материалов – насыпная плотность

Насыпная плотность ρ_н (кг/м³; г/см³) — отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для сыпучих материалов (песка, щебня, цемента и т. п.). В ее величине отражается влияние не только пор в каждом зерне (или куске), но и межзерновых пустот в рыхлонасыпанном объеме материала.

Насыпная плотность материалов учитывается при расчете складов, способа перевозки, при расчете составов композиционных материалов.

Пористость П — относительная величина, показывающая, какая часть объема материала занята внутренними порами. По значению пористость дополняет коэффициент плотности до 1 или до 100 % и определяется по формуле

П=1- ρ_о/ρ  или П = (1 - ρ_о/ρ) 100%.                          (1.6)

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или ртутью.

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 широкополосных, вода не может задерживаться и вытекает.

Пористость материалов колеблется в широких пределах:

от 0,2...0,8 % — у гранита и мрамора

до 75...85 % у теплоизоляционного кирпича и у ячеистого бетона

и свыше 90 % —у пенопластов и минеральной ваты.

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.