Параметры состояния и структурные характеристики строительных материалов

Каждый строительный материал имеет параметры состояния в момент его осмотра или исследования.

Плотность (г/см³, кг/м³) – физическая величина, определяемая массой единицы объёма материала.

Любой материал состоит из твердого вещества и пор (за исключением абсолютно плотных материалов: например, металлов).

Рис. 1.1. Схематичное изображение структуры материала

Поэтому объем материала в естественном состоянии (V_е) складывается из объема вещества в абсолютно плотном состоянии (V_а) и объема пор (V_п):

V_е = V_а + V_п.

Средняя плотность – это масса единицы объема материала в естественном состоянии (т.е. вместе с порами):

где: m – масса образца материала;

V_e – объем образца материала.

Средняя плотность является важнейшим параметром состояния, позволяющим судить об основных свойствах материалов – пористости, прочности, теплопроводности, гидрофизических свойствах и др.

Средняя плотность строительных материалов может меняться в широких пределах: от 20 кг/м³ для самых легких пенопластов до 7850 кг/м³ для стали. Один вид строительных материалов в зависимости от технологии получения, структуры и назначения имеет разную среднюю плотность.

Для определения средней плотности материалов необходимо знать массу образцов и их объем. Проще всего найти объем образцов правильной геометрической формы. Для образцов неправильной формы прибегают к способу объемомера (рис. 1.2) или гидростатического взвешивания (рис. 1.3).

В объемомер, представляющий собой металлический цилидрический сосуд, наливают воду до тех пор, пока она не начнет выливаться из носика. Затем в объемомер опускают образец материала, а объем вылившейся воды фиксириуют. Этот объем будет равен объему материала. Если материал пористый, тогда необходимо его предварительно водонасытить, либо покрыть парафином, сделав поправку на объем парафина при вычислении объема материала.

Рис. 1.2. Объемомер:

1 – объемомер; 2 – носик; 3 – образец; 4 – стакан для сбора воды, вытекающей из объемомера

Рис. 1.3. Весы для гидростатического взвешивания:

1 - сосуд с водой; 2 - подвес для образца; 3 - образец; 4 - весы; 5 – разновес

Объем образца при гидростатическом взвешивании определяют по формуле:

где: m – масса образца при взвешивании на воздухе;

m₁ – масса образца при взвешивании в воде;

 – плотность воды.

Истинная плотность – это масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (т.е. без пор):

где: m – масса материала;

V_a – объем материала без пор.

Истинная плотность выражает плотность скелета материала. Это физическая константа, которая не может меняться без изменения химического состава или внутреннего строения материала. Для определения истинной плотности строительных материалов используют колбу Ле Шателье, показанную на рис. 1.4. Для этого необходимо получить материал без пор. Простейший способ – измельчить, получить материал в порошкообразном состоянии. При испытании необходимо использовать инертную по отношению к испытуемому материалу жидкость (воду, или при испытании минеральных вяжущих – керосин).

Рис. 1.4. Колба Ле Шателье для определения истинной плотности строительных материалов

Относительная плотность – отношение средней плотности материала к плотности воды при температуре 4ºС, равной 1 г/см³ или 1000 кг/м³:

Как самостоятельная характеристика относительная плотность не используется, но применяется в расчетах водопоглощения по объему, удельной прочности, коэффициента теплопроводности.

Насыпная плотность – масса единицы объема материала в насыпном состоянии. Определяется для сыпучих зернистых и волокнистых материалов (вяжущих, песка, щебня, минеральных волокон и т.п.).:

где: m – масса материала;

V_н – объем материала в рыхлонасыпанном состоянии.

При определении насыпной плотности используют мерные сосуды известного объема – от 1 л до 50 л в зависимости от вида материала и его крупности. Задача сводится к определению массы материала, насыпанного в сосуд известного объема.

Рис. 1.5. Общая схема определения насыпной плотности

Рис. 1.6. Воронка и мерный цилиндр для определения насыпной плотности цемента, песка и других материалов

Пористость – относительный объем пор в материале:

где: V_п – объем пор в материале;

V_е – объем материала в естественном состоянии.

Пористость является важнейшей структурной характеристикой материалов, определяющей основные свойства:

- Среднюю плотность;

- Физико-механические свойства;

- Теплофизические свойства;

- Гидрофизические свойства.

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их диаметрам и удельной поверхностью пор. Абсолютное большинство материалов имеют в своем объеме поры, поэтому у них истинная плотность всегда больше средней. Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90…98 %.

Пористость строительного материала можно определить экспериментально при помощи поромера. Принцип действия поромеров основан на замещении порового в материале эталонной жидкостью.

Рис. 1.7. Автоматизированный эталонный поромер Porotech 3.1

Пористость строительного материала можно определить расчетным методом:

Поры могут быть открытыми и закрытыми.

Открытые поры сообщаются между собой и с окружающей средой, поэтому при погружении образцов материала в воду они насыщаются водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.

Открытая пористость П_о  – отношение суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала в естественном состоянии:

где: m_нас – масса материала в водонасыщенном состоянии;

m_сух – масса сухого материала.

Закрытая пористость П_з характеризует объем закрытых (замкнутых), не сообщающихся между собой и с окружающей средой пор:

П_з = П–П_о.

Увеличение объема закрытых пор в материале способствует снижению его водопоглощения, повышению морозостойкости и долговечности материала, но ухудшаются звукопоглощающие свойства.

Среди замкнутых иногда выделяют условно замкнутые поры, которые насыщаются водой под давлением. В ряде случаев их специально создают, например, для повышения морозостойкости бетонов путем введения воздухововлекающих добавок.

Коэффициент плотности – степень заполнения объема материала абсолютно плотной фазой:

Таблица 1.1

Истинная плотность, средняя плотность и пористость некоторых строительных материалов

Материал	Плотность, кг/м³		Пористость, %
	истинная	средняя
Сталь	7800…7900	7800…7900	0
Гранит	2700…2800	2600…2700	0,5…1
Тяжёлый бетон	2600…2700	2200…2500	8…12
Кирпич	2500…2600	1400…1800	25…45
Древесина	1500…1550	400…800	45…70
Пенопласты	950…1200	20…100	90…98

 

Важным параметром состояния вяжущих, тонкодисперсных материалов является их удельная поверхность – суммарная площадь поверхности частиц материала в единице массы:

Рис. 1.8. Прибор Блейна для определения удельной поверхности

Данная характеристика определяет поверхность раздела фаз в гетерогенных системах и влияет на активность указанных материалов.

Влажность – это относительное содержание влаги в материале в момент испытания:

где: m_c – масса материала, высушенного до постоянной массы, г;

m_вл – масса влажного материала, г.

Все материалы имеют ту или иную влажность, которая зависит от температурно-влажностных условий окружающей среды, величины пористости, характера и размера пор материала (т.н. равновесная влажность). Влажность влияет на ряд свойств материалов (плотность, прочность, теплопроводность и др). Влажность – величина переменная, и фиксируется в момент испытания.

Для определения средней плотности материала во влажном состоянии можно пользоваться формулой:

где: w – влажность материала в долях единицы.