Определение физических свойств строительных материалов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1.Общие сведения

Физические свойства определяют способность материалов реагировать на воздействие различных физических факторов: гравитационных, тепловых, водной среды, электрических и т.д. К физическим свойствам относятся: средняя, истинная и насыпная плотности, пористость, влажность, водопоглощение, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент размягчения, морозостойкость и др.

Пористость, истинная и средняя плотности являются важнейшими параметрами физического состояния любого строительного материала, которые обусловливают его отношение к действию факторов окружающей среды: воздействию влаги, температуры, газов и др. От параметров состояния функционально зависят такие свойства материалов, как прочность, деформативность, теплопроводность, морозостойкость и др. Они учитываются при определении рациональной области применения материалов, при проектировании строительных конструкций и сооружений, при решении ряда технологических вопросов их производства, хранения, транспортировки и т.д.

1.2. Цель работы

Изучение методики и порядка определения показателей основных физических свойств строительных материалов.

1.3. Порядок выполнения работы

1.3.1. Определение истинной плотности

Истинная плотность – это масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот).

Истинную плотность материала определяют делением его массы (m) на объем в абсолютно плотном состоянии (объем твердой фазы – V_т.ф.).

, г/см³ или кг/м³. (1)

Абсолютный объем материала определяется по методу вытесненной инертной жидкости. Для этого пробу материала предварительно высушивают при температуре 105 °С до постоянной массы и измельчают до полного прохождения через сито № 0,063. Истинную плотность определяют с помощью мерного цилиндра, пикнометра или прибора Ле-Шателье.

1.3.1.1.Определения истинной плотности

с помощью мерного цилиндра

Цилиндр (рис. 1), примерно, до половины высоты шкалы, заполняют инертной жидкостью и определяют ее объем. Отвешивают 100 г порошка, засыпают его в цилиндр, определяют объем жидкости с порошком. Истинную плотность материала вычисляют по формуле:

, г/см³ (2)

m - масса порошка, г;

V₁ - объем жидкости, см³;

V₂ - объем жидкости и порошка, см³ .

Результаты определения заносят в табл. 1

Таблица 1

Результаты определения истинной плотности

Номер опыта	Масса порошка, m, г	Объем жидкости, V1, см3	Объем жидкости и порошка, V2 , см3	Истинная плотность, ρ , г/см3
				полученное значение	среднее значение	по справочным данным

1.3.1.2.Определения истинной плотности

с помощью прибора Ле-Шателье

Прибор (рис. 2) наполняют инертной жидкостью до нулевой отметки по нижнему мениску. Отвешивают 70 г порошка и засыпают его в прибор до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется до любого деления в пределах градуированной части прибора выше компенсатора. Остаток порошка взвешивают.

Истинная плотность вычисляется по формуле:

, г/см³ (3)

где m – масса первоначальной навески порошка, г;

m₁ - масса остатка от первоначальной навески, г;

V - объем порошка, см³ .

Для определения плотности проводят не менее 2^х испытаний и вычисляют среднее арифметическое из полученных результатов. Результаты эксперимента заносят в табл. 2.

Таблица 2

Результаты определения истинной плотности

Номер опыта	Масса начальной навески порошка, m, г	Масса остатка порошка, m1, г	Объем порошка, V , см3	Истинная плотность, ρ , г/см3
				полученное значение	среднее значение	по справочным данным

1.3.1.3.Определения истинной плотности

с помощью пикнометра

Навеску порошка материала массой 10…15 г высыпают в предварительно взвешенный пикнометр (рис. 3). Пикнометр взвешивают вместе с навеской, заполняют инертной жидкостью до метки и вновь взвешивают. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, заполняют до метки жидкостью и взвешивают.

Истинную плотность материала вычисляют по формуле: , г/см³ (4),

где m₁ - масса пикнометра, г;

m₂ - масса пикнометра с навеской, г;

m₃ - масса пикнометра с навеской и жидкостью, г;

m₄ - масса пикнометра с жидкостью, г;

ρ_жид - плотность инертной жидкости, г/см³.

Результаты определений заносят в табл. 3.

Таблица 3

Результаты определения истинной плотности.

Номер опыта	Масса пикнометра, m1, г	Масса пикнометра с навеской, m2,, г	Масса пикнометра с навеской и жидкостью, m3 , г	Масса пикнометра с жидкостью, m4 , г	Истинная плотность, ρ, г/см3
					получен­ное значение	среднее значе­ние	по спра­вочным данным

1.3.2. Определение средней плотности

Средняя плотность – это масса единицы объема материала в естест­венном состоянии.

Среднюю плотность материала определяют отношением массы ( m ) материала ко всему занимаемому им объему (V_мат ), включая имеющиеся в них пустоты и поры (V_пор), и рассчитывают по формуле:

, г/см³ или кг/м³. (5)

Средняя плотность находится в обратной зависимости от пористости материала. Среднюю плотность материалов определяют на изделиях или образцах правильной и неправильной формы в состоянии естественной влажности, в воздушно-сухом и сухом состоянии. Образцы правильной геометрической формы в виде куба, параллелепипеда или цилиндра должны иметь размер по наименьшему измерению не менее 50 мм. Образцы неправильной геометрической формы должны иметь массу не менее 300 г каждый. Среднюю плотность пустотелых изделий определяют на целых изделиях без вычета пустот.

Среднюю плотность определяют не менее чем на трех образцах.

1.3.2.1.Определение средней плотности

образцов правильной геометрической формы

Размеры образцов определяют металлической линейкой или штангенциркулем, вычисляют объем. Затем взвешиванием определяют массу образцов.

Среднюю плотность материала вычисляют по формуле:

, г/см³ (6)

где m - масса образца, г;

V_мат - объем образца в естественном состоянии, см³ .

Результаты определения средней плотности заносят в табл. 4.

Таблица 4

Определение средней плотности образцов правильной формы

Номер опыта	Масса образца, m, г	Размеры образца, см	Объем образца, V, см3	Средняя плотность, ρ , г/см3
				полученное значение	среднее значение	по справочным данным

1.3.2.2. Определение средней плотности

образцов неправильной формы

Опыт осуществляется с помощью гидростатического взвешивания (рис. 4).

Предварительно взвешенный образец покрывают пленкой из парафина. Затем образец охлаждают и взвешивают, сначала на воздухе, затем на гидростатических весах в воде (рис. 4).

Среднюю плотность материала вычисляют по формуле:

, г/см³ (7)

где ρ_воды - плотность воды, 1 г/см ³ ;

ρ_пар - плотность парафина, 0,93 г/см ;

m - масса образца, г;

m₁ - масса парафинированного образца на

воздухе, г;

m₂ - масса парафинированного образца

в воде, г;

m₁ - m₂ - потеря массы в воде, равная

массе вытесненной воды, г

Результаты определения средней плотности материала заносят в табл. 5.

Таблица 5

Определение средней плотности образцов неправильной формы

Номер опыта	Масса образца, m, г	Масса парафинированного образца на воздухе, m1, г	Масса парафинированного образца в воде, m2 , г	Средняя плотность, ρ , г/см3
				полученное значение	среднее значение	по справочным данным

1.3.3. Определение насыпной плотности

Насыпная плотность – это масса единицы объема материала в рыхлонасыпном состоянии.

Насыпную плотность материала определяют отношением массы (m) зернистого материала ко всему занимаемому им объему (V_мат), включая имеющиеся в нем поры (V_пор) и межзерновые пустоты (V_пуст), и рассчитывают по формуле:

, г/см³ или кг/м³. (8)

Сущность испытания заключается в заполнении мерного сосуда рыхло-зернистым материалом.

В зависимости от крупности частиц материала используют сосуды различной вместимости. Если размер частиц материала составляет 0…5 мм то объем сосуда должен быть 1…2 л, если размер частиц 5…40 мм то объем сосуда – 10 л, и если размер частиц более 40 мм то объем сосуда - 20 л.

Насыпную плотность сыпучих материалов (песок, цемент и др.) определяют с помощью воронки в виде конуса с заслонкой в нижней части (рис. 5).

Под воронку ставят заранее взвешенный мерный сосуд емкостью 1 л. В воронку засыпают сухой материал, открывают заслонку и с высоты 10 см заполняют сосуд с избытком. Металлической линейкой срезают излишек материала вровень с краями сосуда (без уплотнения) и взвешивают.

Насыпную плотность материала вычисляют по формуле:

, г/см³ ( 9 )

где m₁ - масса сосуда, г;

m₂ - масса сосуда с материалом, г;

V - объем сосуда, см³ .

Результаты определения насыпной плотности заносят в табл. 6.

Таблица 6

Результаты определения насыпной плотности

Номер опыта	Масса сосуда, m1 , г	Масса сосуда с материалом, m2, г	Объем сосуда, V , см3	Средняя плотность, ρ , г/см3
				полученное значение	среднее значение	по справочным данным

1.3.4. Определение пористости материала

Пористость - это степень заполнения материала порами.

(10)

Различают полную, открытую и закрытую пористости. Полная пористость ( П ) включает в себя открытую ( П_о ) и закрытую пористости ( П_з ). Открытыми считаются поры, которые при помещении материала в воду заполняются ею, закрытыми – которые не заполняются водой.

Полную пористость рассчитывают по формуле:

(11)

где ρ - истинная плотность материала, г/см ³;

ρ_т - средняя плотность материала, г/см³ .

Открытую пористость можно приближенно определить по величине водопоглощения по объему:

П_о ≈ В_v (12)

Закрытую (замкнутую) пористость в процентах определяют по формуле:

П_з = П - П_о (13)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: у стекла и металла она составляет 0 %, гранита и мрамора - 0,2...0,8 %, керамического кирпича - 18...35 %, тяжелого бетона - 5...10 %, газобетона - 55...85 %, ячеистых пластмасс - 90...9 5%. От величины пористости, размера и формы пор, равномерности распределения их в материале зависят важнейшие его свойства: прочность, плотность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и др.

1.3.5. Определение межзерновой пустотности

Межзерновая пустотность ( V_п ) для зернистых и порошкообразных материалов рассчитывается по формуле:

(14)

где ρ_н - насыпная плотность материала, г/см³;

ρ_m - средняя плотность материала, г/см³ .

1.3.6. Определение водопоглощения материалов

Водопоглощение - это способность материала впитывать и удерживать в порах воду. Водопоглощение характеризует максимальную степень увлажнения материала, т.е. такое состояние, при котором все открытые поры заполнены водой. Различают водопоглощение по массе и объему.

(15) - водопоглощение по массе,

где m_воды – масса поглощенной материалом воды, г;

m_мат. – масса материала, г.

(16) водопоглощение по объему,

где V_воды – объем поглощенной материалом воды, см³;

V_мат. – объем материала, см³.

Водопоглощение материала по объему и массе связаны между собой следующей зависимостью:

В_v = B_m · (ρ_m / ρ_воды) (17)

Водопоглощение определяют не менее чем на трех образцах материала. Образцы предварительно высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы, охлаждают до комнатной температуры, взвешивают, обмеряют и вычисляют объем. Затем укладывают в емкость с водой, имеющей температуру +20 °С. В воде образцы выдерживают 48 ч, затем вынимают, обтирают влажной мягкой тканью и сразу взвешивают.

Водопоглощение образцов по массе и объему вычисляют по формулам:

(18) (19)

где m_нас – масса насыщенного водой материала, г;

m_сух. – масса сухого материала, г;

V_мат. – объем материала, см³;

ρ_воды - плотность воды, г/см³.

Результаты определения водопоглощения заносятся в табл. 7.

Таблица 7

Результаты определения водопоглощения материала

Номер опыта	Масса высушенного образца, mсух, г	Масса насыщенного водой образца, mнас , г	Объем образца, Vмат, см3	Водопоглощение отдельного образца, %		Среднее арифметическое значение водопоглощения,%
				Вm	Вv	Вm	Вv

 

1.3.7. Определение влажности материалов

Влажность – это степень увлажнения материала.

Влажность материала оказывает значительное влияние на долговечность, теплоизоляционные, электрические и др. свойства материалов.

Влажность определяют не менее чем на 3-х образцах материала. Образцы взвешивают, затем высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 °С до постоянной массы. После охлаждения взвешивают.

Абсолютную влажность вычисляют по формуле:

(20)

где m_вл – масса материала, в естественном состоянии г;

m_сух – масса сухого материала, г

Результаты определения водопоглощения заносятся в табл. 8.

Таблица 8

Результаты определения абсолютной влажности материала

Номер опыта

Масса высушенного образца, г

Масса образца в естественном состоянии, г

Влажность отдельного образца, %

Среднее арифметическое значение влажности, %

 Абсолютная влажность, в зависимости от окружающих условий, может меняться в пределах от 0 до полного насыщения водой (В_m).

Приборы, инструменты, материалы: весы технические по ГОСТ 16474, сушильный шкаф по ГОСТ 13474, электроплитка с закрытым нагревательным элементом по ГОСТ 13474, весы торговые по ГОСТ 16474, мерный цилиндр вместимостью 100 или 250 мл, объемомер Ле-Шателье-Кандло, пикнометр вместимостью 50 или 100 мл по ГОСТ 6427, стандартная воронка для определения насыпной плотности материалов, мерный сосуд вместимостью 1 л, металлическая линейка по ГОСТ 421, штангенциркуль по ГОСТ 166, образцы строительных материалов.

Аттестационные вопросы

1. Что называется истинной, средней и насыпной плотностью материала?

2. Как определяется истинная плотность материала?

3. Как определяется средняя плотность материала?

4. Опишите методику определения насыпной плотности материала.

5. Как рассчитывается пористость материала?

6. Какие свойства материала зависят от пористости?

7. Как рассчитывается межзерновая пустотность материала?

8. Опишите методику определения водопоглощения?

9. Как определяется влажность материала?

10. Какие свойства строительного материала зависят от его влажности?