Истинная плотность вещества. Определение плотности и пористости

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

Истинная плотность – отношение массы материала к его объему в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Истинная плотность материала (г/см 3 , кг/м 3 , т/м 3)

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/см 3 , кг/м 3 , т/м 3).

r 0 = m/V ест, (1.2)

где m – масса материала, г;

V ест – объем материала в естественном состоянии, см 3 .

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 – r 0 /r)100, (1.3)

где r 0 – плотность материала, г/см 3 ; r – истинная плотность материала, г/см 3 .

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

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 см 3 . 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.

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 см 3 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/см 3)

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), см 3 .

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 1 г/см 3 как среднее арифметическое двух определений, расхождение между которыми не должно превышать 2 г/см 3 .

___________________________________________________________

2. Определение средней плотности образца

правильной геометрической формы

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 (см 3), 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 (см 3)

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

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

3. Определение пористости

Порядок выполнения работы:

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

Обработка результатов измерений

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

Физические свойства определяются параметрами физического состояния материалов под воздействием внешней среды и условий их работы (действие воды, высоких и низких температур и т. п.).

Истинная плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот

Размерность истинной плотности - кг/м3 или г/см3. Истинная плотность каждого материала - постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Так, истинная плотность неорганических материалов, природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, составляет 2400...3100 кг/м3, органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, - 800... 1400, древесины, состоящей в основном из целлюлозы, - 1550 кг/м3. Истинная плотность металлов колеблется в широком диапазоне: алюминия - 2700 кг/м3, стали - 7850, свинца - 11300 кг/м3.

В строительных конструкциях материал находится в естественном состоянии, т. е. занимаемый им объем обязательно включает в себя и поры. В этом случае для характеристики физического состояния материала используется понятие средней плотности.

Средняя плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в естественном состоянии Fe (м3)

Средняя плотность - важная физическая характеристика материала, изменяющаяся в зависимости от его структуры и влажности в широких пределах: от 5 (пористая пластмасса) до 7850 кг/м3 (сталь). Средняя плотность оказывает существенное влияние на механическую прочность, водопоглощение, теплопроводность и другие свойства материалов.

Степень заполнения объема материала порами. Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала.

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90...98 % (пенопласт)

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, пористость которого достигает 95 %, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала. Строительный материал тем слабее сопротивляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные показывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно.

Величина прочности также зависит от размеров пор. Она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых материалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Для сыпучих материалов (цемент, песок, гравий, щебень) рассчитывают насыпную плотность.

Насыпная плотность - величина, определяемая отношением массы материала т (Kr) K занимаемому им объему в рыхлом состоянии VH (м)

Величина Va включает в себя объем всех частиц сыпучего материала и объем пространств между частицами, называемых пустотами. Если для зернистого материала известны насыпная плотность рн и средняя плотность зерен рс, то можно рассчитать его пустотность а - относительную характеристику, выражаемую в долях единицы или в процентах

По физическому смыслу понятия пористость и пустотность аналогичны. При изготовлении бетона стремятся использовать сыпучие заполнители - песок, щебень или гравий с минимальной пустотностью. В этом случае для заполнения пустот потребуется меньше цемента и бетон будет дешевле.

Очень часто в процессе эксплуатации строительные материалы и конструкции подвергаются воздействию воды, и свойства материалов изменяются. Количественно оценить свойства материала в этом случае позволяют следующие понятия.

Водопоглощение материалов, зависящее от характера пористости, может изменяться в широких пределах. Значения WM составляют для гранита 0,02...0,7 %, тяжелого бетона - 2...4, кирпича 8...20, легких теплоизоляционных материалов с открытой пористостью - 100 % и более. Водопоглощение по объему WQ не превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

Величины W0 и WM характеризуют предельный случай, когда материал более не в состоянии впитывать влагу. В реальных конструкциях материал может содержать некоторое количество влаги, полученной при кратковременном увлажнении капельножидкой водой либо в результате конденсации в порах водяных паров из воздуха. В этом случае состояние материала характеризуют влажностью.

Влажность - отношение массы воды, находящейся в данный момент в материале тв, к массе (реже - к объему) материала в сухом состоянии

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины WM, соответствующей максимальному водосодержанию. Увлажнение приводит к изменению многих свойств материала: повышается масса строительной конструкции, возрастает теплопроводность; под влиянием расклинивающего действия воды уменьшается прочность материала.

Для многих строительных материалов влажность нормирована. Так, влажность молотого мела - 2 %, стеновых материалов -5...7, воздушно-сухой древесины- 12...18 %.

Водостойкость - свойство материала сохранять прочность при насыщении его водой. Критерием водостойкости строительных материалов служит коэффициент размягчения - отношение прочности при сжатии материала, насыщенного водой, RB к прочности при сжатии сухого материала

Материалы, у которых коэффициент размягчения больше 0,75, называют водостойкими.

Водонепроницаемость - свойство материала сопротивляться проникновению в него воды под давлением. Это свойство особенно важно для бетона, воспринимающего напор воды (трубы, резервуары, плотины). Водонепроницаемость бетона оценивают маркой по W (W-2...W-8), обозначающей максимальное одностороннее гидростатическое давление, при котором стандартный образец не пропускает воду. Для гидроизоляционных материалов водонепроницаемость характеризуется временем, по истечении которого появляется просачивание воды под определенным давлением через образец материала (мастика, гидроизол).

Гигроскопичность - свойство капиллярно-пористого материала поглощать влагу из воздуха. С увеличением относительной влажности воздуха и снижением температуры гигроскопичность повышается.

Гигроскопичность отрицательно сказывается на свойствах строительных материалов. Так, цемент при хранении под влиянием влаги воздуха гидратируется и комкуется, при этом снижается его марка. Весьма гигроскопична древесина, от влаги она разбухает, коробится и трескается.

За характеристику гигроскопичности принята величина отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и температуре +20 °С к массе сухого материала.

Морозостойкость - свойство материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и значительного снижения прочности и массы. Морозостойкость - одно из основных свойств, характеризующих долговечность строительных материалов в конструкциях и сооружениях. Как известно, вода, находящаяся в порах материала, при переходе в лед увеличивается в объеме примерно на 9... 10 % и вызывает растягивающие напряжения. Ритмично чередующаяся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием приводит к дополнительным внутренним напряжениям. Могут возникнуть микро- и макротрещины с возможным разрушением структуры и снижением прочности.

Для испытания на морозостойкость стандартные образцы материалов или целые мелкоштучные изделия (например, кирпич) вначале насыщают водой, а затем замораживают при температуре минус 15...20 °С. Затем образцы извлекают из морозильной камеры и оттаивают в воде комнатной температуры. Такое замораживание и оттаивание составляет один цикл. Марка по морозостойкости (F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300 для каменных материалов) характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания, которое выдержал материал, при допустимом снижении прочности или уменьшении массы образцов.

Высокой морозостойкостью обладают плотные материалы, которые имеют малую пористость и закрытые поры. Материалы пористые с открытыми порами и соответственно большим во до-поглощением часто оказываются неморозостойкими.

При воздействии статических или циклических тепловых факторов материал характеризуется теплофизическими свойствами. Они важны для теплоизоляционных и жаростойких материалов, материалов ограждающих конструкций и изделий, твердеющих при тепловой обработке. К ним относятся теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, огнестойкость и огнеупорность.

Теплоемкость - свойство материала поглощать при нагревании и отдавать при охлаждении определенное количество теплоты. Теплоемкость - мера энергии, необходимой для повышения температуры материала.

Теплоемкость, отнесенную к единице массы, называют удельной теплоемкостью С и измеряют в Дж/(кг °С). Удельная теплоемкость - это количество теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 °С. У органических материалов теплоемкость обычно выше, чем у неорганических, Дж/(кг °С): древесины - 2,38.. .2,72; стали - 0,46; воды - 4,187. Наибольшую теплоемкость имеет вода, поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Численные характеристики теплоемкости используют при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций. Кроме того, значения С надо знать для расчета затрат на топливо и энергию на обогрев материалов и конструкций при зимних работах

Теплопроводность - свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, покрытий и перекрытий), и материалов, предназначенных для тепловой изоляции. Теплопроводность материала зависит от его строения, химического состава, пористости и характера пор, а также влажности и температуры, при которой происходит передача теплоты.

Теплопроводность характеризуют коэффициентом теплопроводности, указывающим, какое количество теплоты в Дж способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на противоположных поверхностях 1 °С в течение 1 ч. Коэффициент теплопроводности, Вт/(м *°С), равен: для воздуха - 0,023; для воды - 0,59; для льда - 2,3; для керамического кирпича - 0,82. Воздушные поры в материале резко снижают его теплопроводность, а увлажнение водой сильно повышает ее, так как коэффициент теплопроводности воды в 25 раз выше, чем у воздуха.

С ростом температуры теплопроводность большинства строительных материалов увеличивается, что объясняется повышением кинетической энергии молекул, слагающих вещество материала

Тепловое расширение - свойство материала изменять размеры при нагреве и охлаждении. Для численной характеристики такого явления используют температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), который показывает, на какую долю первоначальной длины расширяется материал при повышении температуры на 1 °С.

Значения ТКЛР составляют, °С~1: для бетона (10... 12) - 10 6, стали 10 10~6, древесины вдоль волокон - (3...5) 10 6. ТКЛР полимерных строительных материалов в 10...20 раз больше.

Вследствие термических и усадочных деформаций в сооружениях большой протяженности могут образоваться недопустимые по условиям эксплуатации перекосы, трещины или разрывы. Чтобы этого не произошло, устраивают температурно-усадочные (деформационные) швы, которые как бы разрезают сооружение. Расстояние между швами назначают с учетом термического расширения материалов.

Огнестойкость - свойство материала выдерживать без разрушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара. Материал в таких условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, разрушается от потери прочности. По огнестойкости различают материалы несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию Это кирпич, бетон и др. Однако некоторые несгораемые материалы -мрамор, стекло, асбестоцемент - при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции сильно деформируются и теряют прочность.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры медленно воспламеняются, но после удаления источника огня их тление или горение прекращается. К таким материалам относятся фибролит, асфальтобетон, пропитанная антипиренами древесина.

Сгораемые материалы под воздействием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня. Это - древесина, обои, битуминозные кровельные и полимерные материалы и др.

Предел огнестойкости - это промежуток времени (минуты или часы) от начала возгорания до возникновения в конструкции предельного состояния. Предельным состоянием считают потерю несущей способности, т. е. обрушение конструкции; возникновение в ней сквозных трещин, через которые на противоположную поверхность могут проникать продукты горения и пламя; недопустимый нагрев поверхности, противоположной действию огня, который может вызвать самопроизвольное возгорание других частей сооружения.

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и не размягчаясь. Огнеупорные материалы (динас, шамот, хромомагнезит, корунд), применяемые для внутренней футеровки промышленных печей, не деформируются и не размягчаются при температуре 1580 °С и выше. Тугоплавкие материалы (тугоплавкий печной кирпич) выдерживают без оплавления и деформации температуру 1350.. J580 °С, легкоплавкие (кирпич керамический строительный) - до 1350 °С.

Акустические свойства материалов - это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Звук, или звуковые волны - это механические колебания, распространяющиеся в твердых, жидких и газообразных средах. Строителя интересуют две стороны взаимодействия звука и материала: в какой степени материал проводит сквозь свою толщу звук - звукопроводность и в какой мере материал поглощает и отражает падающий на него звук - звукопоглощение.

При падении звуковой волны на ограждающую поверхность звуковая энергия отражается, поглощается и проводится твердым телом.

Коэффициент звукопоглощения зависит от ряда факторов: уровня и характеристик звука (шума), свойств поглощающего материала, способов его расположения по отношению к жесткой поверхности (потолку, стене) и методов измерения.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности и пористости материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука, поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются.

Сущность физического явления, происходящего при гашении звука пористым телом, заключается в следующем. Звуковые волны, падая на поверхность такого материала и проникая далее в его поры, возбуждают колебания воздуха, находящегося в узких порах. При этом значительная часть звуковой энергии расходуется. Высокая степень сжатия воздуха и его трение о стенки пор вызывают разогрев. За счет этого кинетическая энергия звуковых колебаний преобразуется в тепловую, которая рассеивается в среде.

Гашению звука способствует деформирование гибкого скелета звукопоглощающего материала, на что также тратится звуковая энергия; этот вклад особенно заметен в пористо-волокнистых материалах с открытой сообщающейся пористостью при ее общем объеме не менее 75 %.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса: если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо привести материал в колебание.

Придание звукоизолирующих свойств ограждению базируется на трех основных физических явлениях: отражении воздушных звуковых волн от поверхности ограждения, поглощении звуковых волн материалом ограждения, гашении ударного или воздушного шума за счет деформации элементов конструкции и материалов, из которых она изготовлена.

Способность отражать звуковые волны важна для наружных ограждений зданий. В этом случае для повышения отражения воздушных звуковых волн применяют массивные конструкции с гладкой наружной поверхностью.

Для внутренних помещений высокая отражающая способность ограждения (перегородок) недостаточна, так как отраженные звуковые волны будут усиливать шум в наиболее шумном помещении. В данном случае применяют многослойные конструкции, в состав которых входят элементы из звукоизоляционных материалов, эффективность которых оценивается динамическим модулем упругости. В качестве звукоизоляционных прокладок применяют пористо-волокнистые материалы из минеральной или стеклянной ваты, древесных волокон (древесноволокнистые плиты), засыпки из пористых зерен (керамзита, шлака и др.).

Снижению уровня ударных и звуковых шумов способствуют малый динамический модуль упругости звукоизоляционных материалов (до 15 МПа) и наличие воздуха в порах. В данном случае снижение интенсивности звука происходит за счет деформации элементов структуры звукоизоляционных материалов и частично - за счет звукопоглощения.

Под понятием “истинная плотность щебня” подразумевается масса данной единицы объема без учета имеющихся пор и пустот, в истинно плотном состоянии. Это значение всякий раз определяется по заданной формуле и используется после этого в расчетах определения пористости материала. Образуется щебень путем дробления твердых горных пород различных фракций и имеет очень хорошее сцепление с компонентами бетонных смесей. Щебень в виде зерен применяется в различных сферах строительства.

Виды щебня: а – кубовидный, б – остроугольный, в – клиновидный, г – лещадный.

Производится бетон на гранитном щебне, и изделия из такого бетона используют как посыпку в дорожном покрытии и при производстве асфальтобетона . Такой бетон применяется при возведении сооружений ответственных, к которым предъявляются высокие требования прочности.

Определение плотности щебня

Среди инертных материалов гранитный щебень до сих пор сохраняет лидирующие позиции.

Составить конкуренцию прочной каменной породе магматического происхождения не может ни один из видов крупного заполнителя с другим составом. Имеют взаимозависимость основные характеристики щебня.

Чем у гранитного щебня лучше показатели плотности, тем выше такие его характеристики, как плотность и морозостойкость. Технологии строительства, как правило, различают для нерудного материала несколько видов плотности, которую принято определять тремя видами:

истинной;
средней;
насыпной.

В свою очередь истинная плотность, как щебня, так и гравия, может быть найдена несколькими способами, а именно: пикнометрическим и ускоренным.

Вернуться к оглавлению

Определение истинной плотности пикнометрическим методом

Этот метод, используемый для определения плотности, подразумевает измерение массы и единицы объема для заранее подготовленного, высушенного и измельченного, материала. Чтобы определить истинную плотность этой горной породы в геологической пробе, готовится специально лабораторная проба. Щебень для получения результата закладывают в дробилку, и после обработки рассеивают в ней продукты дробления. Чтобы определить истинную плотность, применяют также дробление до тонкого порошка и высушивание затем при 105-110°C до получения постоянной массы. Степень измельчения породы при этом может быть различна и зависит от стандарта на каждый материал. Для определения понадобится:

пикнометр вместимостью 100 мл, соответствующий ГОСТ 22524;
весы настольные: циферблатные должны соответствовать ГОСТ 29329, а лабораторные – 24104;
фарфоровая чашка для взвешивания по ГОСТ 9147 или стаканчик по ГОСТ 25336;
фарфоровая или чугунная ступка;
эксикатор, соответствующий ГОСТ 25336;
серная концентрированная кислота по ГОСТ 2184;
кальций хлористый или хлорид кальция (безводный) по ГОСТ 450;
сушильный шкаф;
песочная или водяная баня;
лабораторная щековая дробилка ДЛЩ 60х100 или ДЛЩ 80х150;
металлическая щетка;
сито №0125 ГОСТ 6613.

Имеющиеся фракции подвергаются забору материала, для исследования материала берется по 2 одинаковые пробы от каждой разновидности фракции, иначе результат будет неточен. Вес каждой забираемой пробы будет зависеть от размеров отдельно взятой фракции щебня. Так, для фракции от 5 до 10 мм берется 1 кг, от 10 до 20 мм – 1,5 кг, от 20 до 40 мм – 2,5 кг, от 40 до 70 мм – 5 кг, а если имеются зерна, более крупные по фракции, то их предварительно до забора пробы дробят до достижения ими ~70 мм или чуть меньше.

Чтобы подготовить к испытанию щебень и определить его истинную плотность при помощи пикнометрического метода, щебень металлической щеткой тщательно очищается от пыли и грязи, затем он измельчается в лабораторной специальной дробилке до размеров зерна не более 5 мм. Эту массу перемешивают и берут из нее 150 г, после этого еще раз измельчают и берут оттуда 30 г. Эта проба должна быть измельчена до состояния пыли, перемешана, и при этом частицы не должны для готовности к опыту превышать 0,125 мм. Истертый таким образом щебень помещается в заранее подготовленную чашку из фарфора или в специальный стакан, предназначенный для лабораторного взвешивания.

В этой лабораторной посуде взятые пробы очень аккуратно просушиваются и охлаждаются после этого до достижения значений температуры, близких к комнатным. Чаще всего в лабораторных условиях производят охлаждение, держа предмет опыта над парами концентрированной серной кислоты, в других случаях охлаждают опыт над безводным хлоридом кальция.

Когда все условия исполнены, для того чтобы определить истинную плотность, берутся 2 навески по 10 г каждая из них, затем они всыпаются в пикнометры, заранее подготовленные для этого, сухие и чистые. После этого наливают туда же дистиллированную воду, взяв ее для этого опыта в количестве, необходимом для того, чтобы она заполнила собой не более чем половину от общего объема всего пикнометра. Содержимое кипятится на водяной или специальной песчаной бане, для точного результата должно пройти с начала кипения не менее 15-20 мин, это нужно для полного удаления из смеси пузырьков воздуха. Находиться при этом он должен в наклонном по отношению к основной плоскости положении. Также пузырьки воздуха, неизбежно возникающие при соединении воды и порошка щебня, могут удаляться при помощи удерживания пикнометра некоторое время в эксикаторе над вакуумом.

Когда весь воздух из взятого для опыта щебня, смешанного с очищенной дистилляцией водой, удален, пикнометр требуется обтереть и охладить, а имеющая те же характеристики вода дополнительно в него доливается до метки, которой ее уровень соответствовал до кипячения, прибор после этой процедуры взвешивают. После взвешивания пикнометр полностью освобождается от своего содержимого, тщательно промывается, наполняется до того же уровня аналогичной очищенной водой и вторично взвешивается. Чтобы опыт имел больше точности, проводятся два параллельных одинаковых по условиям опыта.

Истинная плотность фракций щебня таким образом определяется как среднее арифметическое между двумя измерениями и вычисляется по формуле.

Формула для расчета истинной плотности щебня используется следующая:

r=mr8/(m+m¹-m²)(1.11), где:

r – истинная плотность щебня, в г/см³;
r8 – плотность воды, которая принимается по умолчанию за 1 г/см³;
m – масса навески порошка, выбранная для определения истинной плотности щебня, который высушен до постоянной массы, в г;
m¹ – масса пикнометра с дистиллированной водой, в граммах;
m² – масса пикнометра с навеской и дистиллированной водой после того, как удалены путем кипячения пузырьки воздуха, в граммах.

Вернуться к оглавлению

Ускоренное определение истинной плотности щебня

При использовании этого метода значение, которое известно как истинная плотность породы и зерен щебня, определяется вычислениями общей массы предварительно измельченного и после этого высушенного материала. В этом случае, чтобы точно определить все параметры, используется предназначенный для этого прибор Ле Шателье. Потребуется следующее оборудование и материалы:

прибор Ле Шателье;
весы лабораторные ГОСТ 24104 или настольные циферблатные по ГОСТ 29329;
для взвешивания: фарфоровая чашка ГОСТ 9147 или стаканчик 25336;
эксикатор ГОСТ 25336;
сушильный шкаф;
серная кислота ГОСТ 2184;
хлористый кальций (хлорид кальция безводный) ГОСТ 450;
сито, размер отверстий 5 мм, ГОСТ 6613;
металлическая щетка.

Хорошо измельченный щебень, подготовленный аналогично предыдущему способу определения, высыпают в чашку из фарфора или лабораторный стакан, предназначенный специально для взвешивания. Там ее высушивают до достижения ею значения постоянной массы, по достижении этого параметра охлаждают материал до значения, близкого к значению комнатной температуры, при помощи эксикатора. Охлаждение можно проводить над серной концентрированной кислотой или безводным хлоридом кальция. Из высушенного порошка отбираются две навески, по 50 г общим весом каждая.

Для начала прибор заполняется водой до достижения уровня самой нижней из имеющихся отметки, определить этот уровень можно при помощи нижнего мениска. После этого внутрь приборов через воронку в каждый помещают подготовленную навеску малыми порциями. Насыпать продолжают до момента, когда уровень находящейся внутри воды с разметки самого нижнего деления под действием измельченного щебня уйдет вверх до 20 мл либо любого выбранного деления, которое находится в верхней части шкалы. Чтобы удалить по возможности лишний скопившийся воздух, в процессе прибор слегка встряхивают.

Определяют искомую плотность материала в этом случае путем взвешивания той части взятого щебня, что не вошла внутрь. Расхождение между двумя результатами при итоговых вычислениях не должно быть больше чем 0,02 г/м³. Если расхождение получилось больше, производят дополнительно третье определение, чтобы затем принять в расчет 2 ближайших друг другу значения.

После этого в качестве результата принимается среднее арифметическое 2 наиболее близких значений. В том случае если возникает необходимость определить плотность щебня или гравия, который представляет собой смесь фракций, значение по каждой фракции определяется отдельно.

Истинная плотность материала р и – физическая величина, определяемая отношением массы m , г, однородного материала к его объему V a , см 3 , в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор и пустот, а именно:

р и = m /V a , г/см 3 . (1.18)

Выполнение 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 о С до постоянной массы, затем тонко измельчают в фарфоровой ступке. Полученный порошок просеивают через сито № 02 (размер ячейки в свету – 0,2×0,2 мм). Отвесив в фарфоровой чашке навеску массой около 180 г просеянного порошка, его снова высушивают, а затем охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе, где порошок хранят до проведения испытания.

Истинную плотность твердого материала определяют с помощью объемомера Ле Шателье (рис. 1.1), который представляет собой стеклянную колбу вместимостью 120...150 см 3 с узкой шейкой, несколько расширяющейся в средней части. На шейке колбы выше и ниже шаровидного уширения нанесены две черты, объем между которыми равен 20 см 3 . Шейка градуирована, цена деления 0,1 см 3 .

Рис. 1.1. Объемомер Ле Шателье:

1 – объемомер; 2 – сосуд с водой;

3 – термометр

Объемомер наполняют до нижней нулевой черты жидкостью, инертной по отношению к порошку материала: водой, безводным керосином или спиртом. После этого свободную от жидкости часть (выше нулевой черты) тщательно протирают тампоном из фильтровальной бумаги. Затем объемомер помещают в стеклянный сосуд с водой, 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.

От подготовленной пробы, находящейся в эксикаторе, с точностью до 0,01 г отвешивают 80 г 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 см 3 или до черты в пределах верхней градуированной части прибора. Разность между конечным и начальным уровнями жидкости в объемомере показывает объем порошка, всыпанного в прибор. Остаток порошка взвешивают. Масса порошка, всыпанного в объемомер, будет равна разности между результатами первого и второго взвешиваний.

Истинную плотность материала вычисляют по формуле

р и = (m – m 1)/V a , (1.19)

где m – масса навески материала до опыта, г;

m 1 – остаток от навески, г;

V a – объем жидкости, вытесненной навеской материала (объем порошка в объемомере), см 3 .

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 0,01 г/см 3 как среднее арифметическое результатов двух определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,02 г/см 3 .

Результаты определения истинной плотности материала записывают в журнал для лабораторных работ и сравнивают с данными, приведенными в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2. Истинная и средняя плотность материалов