Истинная и средняя плотность материалов — Материалы и свойства

Автор Admin На чтение 5 мин. Просмотров 456 Опубликовано 2016-07-26

Истинная плотность  (прежнее название – удельный вес) – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Определяют по формуле ? = m / V, где m – масса материала, кг; V – абсолютный объем, занимаемый материалом (без пор и пустот), м³. Истинная плотность жидкостей и материалов, полученных из расплавленных масс (металла, стекла, а также гранита, мрамора и других подобных горных пород), практически соответствует их плотности в естественном состоянии, а пористых материалов – приводится к абсолютно плотному состоянию искусственным путем.

Истинная плотность – свойство, которое контролируются только при геологической разведке с подземными сетями.

Для горных пород, служащих сырьем при производстве облицовочных материалов, не имеет решающего значения при их оценке. Однако этот показатель позволяет косвенно выявить другие свойства камня, например вычислить его пористость.

Плотность различных материалов

Для определения истинной плотности камня его необходимо получить в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор. Простейший способ заключается в измельчении камня до такой степени, пока каждая его частица не будет иметь внутри себя пор. С этой целью вначале отбирают куски горной породы общей массой не менее 1 кг, тщательно очищают их щеткой от пыли и затем измельчают до крупности менее 5 мм, после чего перемешивают и сокращают пробу примерно до 150 г. Полученную пробу вновь измельчают до крупности менее 1,25 мм, перемешивают и сокращают до 30 г. Оставшуюся пробу вновь измельчают в порошок в фарфоровой ступке, насыпают в стаканчик для взвешивания, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры, после чего отвешивают две навески по 10 г каждая. Каждую навеску насыпают в пикнометр (пикнос – плотный, метрео – измеряю, дословно с греческого «измеритель плотности») и заливают дистиллированной водой, заполняя пикнометр не более чем на половину объема. Затем его ставят на песчаную ванну или в водяную баню и кипятят содержимое в течение 15—20 мин для удаления пузырьков воздуха. После этого пикнометр обтирают насухо, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают на лабораторных весах. Далее прибор освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и вновь взвешивают.

Истинную плотность р, кг/м³, вычисляют по формуле

? = m?_В / (m + m₁ – m₂) · 1000,

где m – навеска порошка, высушенного до постоянной массы, г; m₁ – масса пикнометра с дистиллированной водой, г; m₂— то же, с навеской и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г; р„ – истинная плотность воды: р

в = 1 г/см³.

Средняя плотность ? (прежнее название – объемная масса) – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Определяется по формуле ? = m / V₁, где m – масса материала, кг; V₁ – объем материала в естественном состоянии, м³. Средняя плотность металла и стекла практически равна их истинной плотности, у большинства строительных материалов она, как правило, меньше (из-за наличия пор).

Для каждого материала стандарты устанавливают значение влажности, при котором вычисляют среднюю плотность, необходимую для расчета пористости, теплопроводности и теплоемкости материалов, определения стоимости их перевозок и расчета прочности конструкций с учетом их собственной массы.

Истинная и средняя плотности широко используемых материалов показаны в табл. 1.

Средняя плотность – физическое свойство облицовочного камня, используемое обычно при его общей характеристике. Этим показателем пользуются при вычислении массы изделий из камня по их объему или при определении объема, когда известна масса изделий. Кроме того, используя среднюю плотность, определяют пористость камня и некоторые другие показатели. Особенно важное значение имеет это свойство для горных пород, используемых при производстве стеновых материалов, где значение этого показателя не должно превышать 2100 кг/м³.

Для определения средней плотности берут пять образцов кубической формы с размером ребра 40—50 мм или цилиндры диаметром и высотой 40—50 мм. Каждый образец очищают щеткой от рыхлых частиц и высушивают до постоянной массы, после чего взвешивают на настольных (гирных) или циферблатных весах. Затем измеряют размеры кубов или цилиндров камня и вычисляют объемы образцов.

Среднюю плотность каждого образца вычисляют по формуле, приведенной в § 2. Средняя плотность горной породы будет средним арифметическим результатом определения этой характеристики для пяти образцов. Значения средней плотности у наиболее распространенных видов облицовочного камня СНГ даны в приложении.

Среднюю плотность сыпучих (рыхлых) материалов (цемента, извести, песка, гравия, щебня) называют насыпной средней плотностью (прежнее название – насыпная объемная масса). В объем сыпучих материалов включают не только объем пор в самом материале, но и пустот между зернами или кусками материала.

Таблица 1. Плотность материалов в воздушно-сухом состоянии

Материалы	Значение плотности, кг/м3		Материалы	Значение плотности, кг/м3
	истинной	средней		истинной	средней
Свинец	11300—11400	11300—11400	Известняк плотный	2400—2600	2100—2400
Медь	8300—8900	8300—8900	Песок кварцевый	2600—2700	,1400—1900
Сталь	7800—7900	7800—7850	Стекло строительное	3000	2500—3000
Чугун	7800	6900—7400	Цемент	3000—3100	800—1300
Алюминиевые сплавы	2800	2700—2800	Бетон тяжелый	2600—2900	1800—2500
			Раствор строитель ный	2500—2900	1300—2200
Базальт	3300	2700—3200
Габбро	3200	2800—3200	Гравий	2600—2800	1400—1600
Мрамор	3000	2700—2800	Кирпич глиняный	2500—2800	1600—1900
Гранит	2600—2900	2600—2700	Минеральная вата	2800	75—400
Туф	2200—2800	1000—2200	Сосна	1600	500—600
Ракушечник	2650—2750	1400—2200

Примечание. Для сыпучих (рыхлых) материалов: песка, цемента, гравия приведена насыпная средняя плотность.

13. Средняя и истинная плотности материалов. Способы их определения.

Средняя плотность-масса единицы объема материала в естественном состоянии с пустотами и порами (ƿ₀=).

Определение средней плотности производят по образцам правильной и неправильной геометрической формы. Образцы правильной геометрической формы после просушивания взвешивают, а их объем определяют путем замера линейных размеров образца. Образцы неправильной формы после их просушивания взвешивают, а объем определяют по объему жидкости, вытесненной образцом, или потерей в массе материала при погружении его в воду (гидростатическое взвешивание).

Истинная плотность-масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, лишенном пустот и пор (ƿ_и=). Для вычисления истинной плотности материал измельчают в порошок с размером зерна мельче самой тонкой поры.

Определение истинной плотности проводят с помощью стандартного объемомера или прибора Ле-Шателье (рис. 3.1)

В объемомер наливают воду до нижней риски (до расширения на колбе). Подготовленную пробу материала массой 70 г (тг) осторожно пересыпают в объемомер до тех пор, пока уровень воды не поднимется до верхней риски (после расширения на колбе).

Важно обеспечить стандартную температуру воды 20°С (равную температуре градуирования прибора) и контролировать отсутствие вовлеченного воздуха внутри колбы.

Объем засыпанного порошка равен объему расширенной части объемомера между рисками (20 см3). Масса порошка, засыпанного в объемомер (m=m1-m2), определяется после взвешивания оставшейся части порошка (m2). Масса навесок определяется с точностью до 0,1г.

Используя формулу определяют истинную плотность исследуемого порошкообразного материала.

14. Структурная пористость материалов: виды пор, способы определения, влияние на свойства материалов.

Пористость-степень заполнения материала порами. Обычно ее расчитывают из средней и истиной плотности.

П_и=(1-)·100%.

Поры бывают: замкнутые, тупиковые, открытые, каппилярные, тупиковые сложной конфигурации. Открытая пористость П₀равна отношению суммарного объема всех пор, насыщающихся водой, к объему материала V_е:

П₀=·;m1 и m2-масса образца в сухом и насыщенном водой состоянии.

Степень заполнения открытых пор водой зависит от условий проведения эксперимента и выражается еще двумя видами пористости – водопоглощением и водонасыщением.

Водопоглощение вычисляется по разнице масс образца в сухом состоянии и после 48 часов выдерживания в воде при атмосферном давлении. Иными словами водопоглощение – объем воды, поглощаемой материалом при нормальном давлении. При этом часть открытых тупиковых пор для воды недоступны.

(по массе)

(по объему)

Wпогл – водопоглощение %

m0 – масса сухого образца г

m1 – масса образца после 48 часов нахождения в воде, г

V – объем образца

Открытые поры могут сообщаться между собой и с окружающей средой посредством капилляров, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой.

Закрытая пористость равна:

П₃=П-П₀

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.

Для точных измерений объема пор используют сжиженный гелий, при этом учитывают его сверхтекучесть и способность проникать в тонкие поры. Зная объем материала в естественном состоянии V_еи определив объем заключающихся в нем пор, находят объем, занимаемый веществом :V_a=V_e-V_п.

Действительный объем открытых пор определяется водонасыщением при кипячении образца материала в воде или при вакуумировании в установке.

При одинаковом объеме пор наилучшими техническими свойствами обладают мелкозернистые материалы с замкнутыми равномерно распределенными порами. Материалы с открытыми порами способны заполняться водой. Капиллярно-пористая структура является причиной капиллярного подсоса и гигроскопичности, т.е. такие материалы подсасывают воду из грунта и поглощают ее из воздуха.

Плотность строительных материалов

1. Физические свойства дорожно-строительных материалов.

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала, а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом физические процессы в материале не изменяют строение его молекул. Обычно к таким свойствам относят истинную плотность (удельный вес), среднюю плотность (объемную массу), насыпную плотность (насыпная масса), пористость, пустотность, влажность, водопоглощение, водонасыщение, усадку, огнеупорность, огнестойкость, светостойкость.

Истинная плотность — масса вещества материала в единице объема (без пор и пустот). Истинную плотность _и выражают отношением массы материала в сухом состоянии к объему материала в абсолютно плотном состоянии. Истинную плотность выражают в кг/м³. Для определения истинной плотности хрупких материалов, обладающих пористостью, их тонко размельчают, получая частицы размером менее 0,25 мм. Истинная плотность основных дорожно-строительных материалов колеблется от 2500 до 3300 кг/м³.

Средняя плотность (объемная масса) — масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами, пустотами, микротрещинами и т.д.). Средняя плотность строительных материалов меньше истинной плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значение средней плотности к истинной плотности.

Насыпная плотность (насыпная масса) — масса единицы объема материала в рыхлом состоянии, Насыпная плотность включает, кроме пор, пустот и трещин в зернах материала, пустоты между зернами. Чем больше средняя плотность материала, тем меньше его пористость и лучше он проводит тепло, звук и т.д.

Таблица 6.1.1

Материал	Истинная плотность, кг/м3	Средняя плотность, кг/м3	Насыпная плотность, кг/м3
Гранит	2600…2800	2500…2700	—
Известняк плотный	2400…2600	1800…2400	—
Кирпич глиняный	2900…3100	1600…1800	—
Древесина	1500…1600	500…1000	—
Битум	1000…1200	1000	—
Сталь	7800…7900	7 800…7900	—
Щебень гранитный	2600…2800	—	1400…1600
Песок кварцевый	2600…2700	—	1350…1600
Портландцемент	2900…3300	—	1200…1300

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

                                                                                                   (6.1.1)

где _с — средняя плотность материала, кг/м³;

_и — истинная плотность материала, кг/м³.

Пористость в значительной мере обуславливает физические, механические и другие свойства материалов. Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость. Опытный инженер по пористости ориентировочно может определить многие свойства материалов.

Пустотность — характеризует объем пустот между зернами рыхлого материала

V_пуст = (1 — _н /_и)·100,                                                                                                (6.1.2)

где _н — насыпная плотность материала, кг/м³;

Влажность — содержание воды в единице объема или массы в процентах:

W_о = (m_в — m_c)/V·100 или W_m =( m_в — m_c)/m_в·100,                                                      (6.1.3)

где m_в и m_c — масса влажного и сухого образца материала, г;

V — объем материала, см³.

Природная влажность материала зависит от его гигроскопичности, т.е. способности материала поглощать водяной пар из влажного воздуха за счет адсорбации пара на внутренней поверхности пор и капилляров. Чем больше внутренняя поверхность материала, тем больше гигроскопичность, а следовательно, и природная влажность. Для древесины она — 12…18 %, для стеновых каменных материалов — 4…7 % по массе.

Водопоглощение — количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать его молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.

Средняя плотность (объемная масса) материала одного и того же состава зависит от влажности и пористости материала (рис. 6.1.1). С увеличением пористости, а следовательно и влажности, средняя плотность увеличивается.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. В этом случае из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах: у гранита от 0,02 до 0,7, у асфальтобетона — от 2 до 5, у кирпича — от 8 до 15 %.

 

Рис. 6.1.1. Зависимость средней плотности известняков _ср от их водопоглощения W

Усадка — изменение размеров материала при его высыхании.

Набухание — увеличение объема материала при насыщении его водой.

Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.

Водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду. Водонепроницаемость тесно связана с естественной влажностью материала, водопоглощением и водонасыщением.

Теплопроводность — способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникший вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, для бетона — 1,28…1,55, для гранита — 2,92.

2. Механические свойства дорожно-строительных материалов.

Механические свойства — способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные (растягивающие, сжимающие) и касательные напряжения, обуславливающие процессы деформирования материала. К основным показателям, характеризующим механические свойства, относят: прочность, упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть.

Прочность — важнейшее свойство материала, в большинстве случаев, определяет возможность его использования в строительной конструкции. Показатели прочности в значительной степени являются условными. Они зависят от размера и формы образца, скорости его нагружения и других факторов. Поэтому методика определения прочности строительных материалов строго регламентируется нормативно-техническими документами. Прочность материала измеряется мегапаскалями (МПа).

Прочность при сжатии стандартного образца в форме куба определяют по формуле

R_к = Р/а² , МПа,                                                                                                          (6.1.4)

где Р — разрушающее усилие, кг;

а — размер ребра куба (для бетона 151515), см.

Прочность при сжатии стандартного образца в виде цилиндра

R_ц = 4P/d²,                                                                                                                (6.1.5)

где d — диаметр цилиндра (для испытания бетона принять цилиндр диаметром d = 15 см и высотой h = 30 см).

Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150…500 МПа), прочность гранита при сжатии — 120…150 МПа, при растяжении — менее 10 МПа. Прочность бетона при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10…15 раз меньше. Прочность асфальтобетонов при сжатии — 5…7 МПа (температура при испытании — 20…25°С).

Предел прочности бетона на растяжении при изгибе определяют на балочке в виде призмы размером 151560 см по формуле

R_р.и. = pl/bh², МПа,                                                                                                      (6.1.6)

где l, b, h — соответственно, длина, ширина и высота балочки, см.

Упругость выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Вязкость — свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации. Абсолютно упругих и абсолютно вязких материалов нет, все дорожно-строительные материалы обладают в той или иной степени упругостью и вязкостью.

Упругость и вязкость материала характеризуется, соответственно, модулем упругости и коэффициентом вязкости:

Е = /,                                                                                                                       (6.1.7)

 =  : d/dt,                                                                                                               (6.1.8)

где Е,  — модуль упругости и коэффициент вязкости;

 — напряжение, МПа;

, d/dt — относительная деформация и скорость изменения относительной деформации, С^-1.

Пластичность — способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость — свойства материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов зависят от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке, пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Хрупкие материалы плохо сопротивляются напряжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть — способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей — хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

3. Теплотехнические свойства дорожно-строительных материалов.

—Теплопроводность — способность материала проводить через свою толщу тепловой поток, возникающий под влиянием разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство оценивается кол-вом тепла, которое проходит через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м²при перепаде температур на противоположных поверхностях в 1°С в течение 1 часа.  Характеризуется коэффициентом теплопроводности λ (лямбда). Λ _t =λ ₀ (1+β*t) Λ _t  — коэф. теплопров. при температуре t , Вт/(м*К) λ₀ — коэф. теплопров. при температуре 0^оС , Вт/(м*К) β – температурный коэффициент t – температура матрериала Теплопроводность так же характеризуется термическим сопротивлением  R = δ (дельта)/ λ — Теплоемкость — способность материала накапливать теплоту при нагревании и отдавать при охлаждении. Характеризуется удельной теплоемкостью С. С =  Q/m(T₂-T₁) Q – кол-во теплоты, затраченной на нагревание. — Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени (пожара). В зависимости от степени огнестойкости строительные материалы разделяют нанесгораемые, трудносгораемые и сгораемые.  Несгораемые материалы в условиях высоких температур не подвержены воспламенению, тлению или обугливанию.  Трудносгораемые материалы под воздействием высоких температур тлеют и обугливаются, но при удалении огня процессы горения, тления или обугливания полностью прекращаются. Сгораемые материалы воспламеняются и горят или тлеют под воздействием огня или высокой температуры, причем горение или тление продолжается также после удаления источника огня. Среди них — древесина, войлок, битумы, смолы и др.  — Огнеупорность – способность материала противостоять длительному воздействию высокой температуры без деформации и расплавления. Если источник высокой температуры (выше 1580°С) действует на материал в течение длительного периода времени (соприкосновение с печами, трубами, нагревательными котлами и т. п.), а материал сохраняет необходимые технические свойства и не размягчается, то его относят когнеупорным.  Тугоплавкие – температура огнеупорности 1350-1580 ^оС Легкоплавкие – температура огнеупорности менее 1350 ^оC — Термостойкость — способность материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры.

4. Водостойкость и морозостойкость дорожно-строительных материалов.

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и допустимого снижения прочности. Морозостойкость материалов связана с их плотностью, пористостью и водостойкостью. Плотные материалы значительно более морозостойки, чем пористые.

При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается примерно на 9 %, что сопровождается давлением льда на стенки пор, вызывающим разрушение материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор и образованный лед имеет пространство для свободного расширения. В связи с этим разрушение таких материалов происходит только после их многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Испытание материалов на морозостойкость производят в холодильных камерах путем замораживания насыщенных водой образцов при температуре минус 20 ± 5°С и последующего их оттаивания и воде при температуре плюс 20 ± 5°С, если вас интересуютотделочные материалы красноярск, переходите по ссылке.

После заданного количества циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют прочность на сжатие образцов, не имеющих видимых признаков разрушения, устанавливают степень морозостойкости, вычисляя коэффициент морозостойкости по формуле К_мрз = R‘ ‘_сж / R‘_сж, где R‘ ‘_сж  и R‘_сж – пределы прочности при сжатии образцов материала, полученные соответственно после испытания на морозостойкость, и образцов, насыщенных водой,— до замораживания. Для морозостойких материалов К_мрз ≥ 0,75 (что соответствует предельно допустимому снижению прочности не более чем на 25 %).

Если после заданного числа циклов замораживания и оттаивания потеря в массе образцов из-за выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а прочность на сжатие снижается не более чем на 25 %, то материал считается морозостойким.

5. Минеральные заполнители для бетона.

Песок — мелкий минеральный заполнитель с размером зерен до 3 или 5 мм (по ГОСТ 8736—58 допускается содержание зерен крупнее 5—10 мм не более 10% по весу).

Песок для тяжелого бетона должен удовлетворять следующим требованиям:

Объемный вес — не менее 1550 кг/м3 для бетона марки выше 150 и для бетона, подвергающегося замораживанию в насыщенном водой состоянии, 1400 кг/м3 для бетона марки 150 и ниже.

Зерновой (гранулометрический) состав песка — кривая просеивания должна находиться в пределах заштрихованной площади (рис. 5): крупный песок — ближе к ее нижней границе, средний — ближе к верхней границе. Для мелкого песка кривая просеивания находится между заштрихованной площадью и верхней ломаной линией.

Таблица 53 — Зерновой состав различных групп песка (ГОСТ 8736—58)

Группа песка	Модуль крупности	Полный остаток на сите с сеткой № 063 в процентах
Крупный	3,5-2,4	От 50 до 75
Средний	2.5-1,9	35 — 50
Мелкий	2,0-1,5	20 — 35
Очень мелкий	1,6-1,1	7 — 20
Тонкий	меньше 1,2	меньше 7

Тонкие пески допускаются только при наличии в каждом отдельном случае необходимых технико-экономических обоснований.

Содержание зерен, проходящих сквозь сито №014 (189 отв/см²) не должно превышать 10% по весу.

Количество пылевидных и глинистых (илистых) частиц, определяемых отмучиванием, не должно превышать 5%.

В песке не должно быть комков глины, суглинка и посторонних засоряющих примесей.

Рис 5 Графики зернового состава: а — песка; б — крупного заполнителя.

Содержание органических примесей допускается в таком количестве, при котором цвет жидкости над песком, обработанным по методу окрашивания (ГОСТ 8735—58), не темнее эталона или при испытании с цементом дает раствор с прочностью, не меньшей, чем раствор того же состава и с тем же песком, но промытым сначала известковым раствором, а затем водой.

При дозировке песка следует учитывать, что самый большой объем песок занимает при влажности 5—7%.

Щебень и гравий

Щебень и гравий (ГОСТ 8267—56, 8268—56) служат крупными заполнителями для бетона В соответствии с указанными ГОСТ и ТУ на изготовление и приемку сборных железобетонных и бетонных изделий Ch2-61 гравий и щебень из естественного камня должны удовлетворять следующим требованиям.

Для бетонных и железобетонных конструкций и деталей в зависимости от размеров сечений конструкций и армирования должны применяться гравий и щебень следующих фракций: 3—10, 10—20, 20—40, 40—70 мм. В отдельных случаях допускается смешение двух смежных фракций. Указания по предельной крупности щебня даны в табл. 55.

Содержание в щебне глины, ила и мелких пылевидных фракций, определяемых отмучиванием. не должно превышать 1% для марки 600—1200 и 2% для марки 200—400; в гравии— 1 % Гравий предназначенный для бетона, при обработке его раствором едкого натра не должен придавать раствору окраску темнее эталона Объем пустот не более 45%, зерновой состав каждой фракции должен соответствовать полным остаткам на ситах Dнаим =95 — 100%+12 (Dнаим + Dнаиб) = 40 — 70%; Dнаиб =0-5%; 1,25 Dнаиб=0.

В соответствии с ГОСТ 8267—56 щебень по пределу прочности при сжатии горной породы в насыщенном водой состоянии подразделяется на марки:

• 1200, 1000 и 800 — из изверженных горных пород;

• 1200, 1000, 800 и 600 — из метаморфических пород;

• 400, 300 и 200 — из осадочных пород.

Гравий в зависимости от прочности на истирание в полочном барабане делится на марки: И45, И55, И70 (потеря в весе после испытаний в 20—70%). Гранулометрический состав щебня и гравия не нормируется, но желательно, чтобы кривая просеивания размещалась в заштрихованной площади (рис. 5).

Заполнители для бетона по морозостойкости делятся на марки: 15, 25, 50, 100, 150, 200 (наименьшее число циклов замораживания и оттаивания при потере в весе для марок 15 и 25 до 10%. а для остальных марок—до 5%)· При испытании раствором сернокислого натрия число циклов насыщения и высушивания должно быть: 3. 5, 10, 10, 15, 15 (потеря в весе соответственно 10, 10, 10. 5. 5, 3%)

Прочность бетона на испытуемом щебне и гравии должна быть не ниже 100% от требуемой марки бетона. Водопоглошение щебня и гравия должно быть не более 3% для бетонов в конструкциях, подвергающихся замораживанию и оттаиванию; не более 5% — для бетонов в конструкциях, не подвергающихся замораживанию и оттаиванию. Для бетонов в конструкциях, не подвергающихся насыщению водой, водопоглощение не нормируется.

Гравийно-песчаные природные смеси нельзя применять в бетонах марки выше 100 без предварительного рассева на песок и гравий.

Щебень шлаковый доменный, соответствующий ГОСТ 5578—57, полученный дроблением отвального или специально отлитого доменного шлака и отвечающий по крупности зерен, объему пустот, гранулометрическому составу и водопоглощению требованиям для щебня из естественных пород, может применяться для обычного бетона.

Недостаточно стойкие шлаки следует дробить до крупности 70 мм и выдерживать в штабелях не менее 3 месяцев.

Для уменьшения расхода вяжущего рекомендуется гранулометрический состав шлаков, указанный в таблице 54.

Предельная крупность заполнителей (щебня, гравия) устанавливается в зависимости от размеров и армирования конструкций и должна быть максимальной. Для ориентировки при ее назначении можно исходить из таблицы 55.

Приемка и методы испытания заполнителей должны соответствовать ГОСТ 8269—56 (щебень и гравий) и ГОСТ 8735—58. Объем принимаемого песка определяется при естественной влажности. Песок обмеряется в вагонах, судах, автомобилях и других транспортных средствах, а при гидромеханической добыче — в штабелях.

Таблица 54 — Зерновой состав шлакового щебня

Наибольшая крупность зерен в мм	Полные остатки в H по весу на ситах с размером отверстий в мм
70	40	20	10	5
80	0-5	35-40	60-65	80-85	100
40	—	0-5	45-50	75-80	100
20	—	—	0-5	55-60	100

Таблица 55 — Предельная крупность заполнителей

Характеристика изделий 1. Тонкостенные, пустотелые и ребристые изделия с наименьшим размером ребер, стенок и т. п. до 25 мм или с многорядной струнной арматурой	Размер зерен гравия или щебня в мм 10
2. Изделия с размером ребер, стенок и пр. до 40 мм и расстояниями между стержнями арматуры более 15 мм (в чистоте)	20
3. Малоармированные изделия простых очертаний (колонны, балки и т. д.) при расстоянии между стержнями арматуры не менее 30 мм .	40
4. Бетонные и крупноразмерные изделия и конструкции, в том числе фундаментные блоки .	70

Для отбора проб заполнитель делится на партии по 200 Ats. От каждой партии из разных мест отбирается проба в 20—30 кг для крупного заполнителя и 5—10 кг для песка.

При испытании определяют, удельный вес, объемный насыпной вес песка в партии и в сухом состоянии, пустотность, влажность, зерновой состав и модуль крупности, приращение объема при насыщении водой, содержание отдельных глинистых частиц, содержание органических примесей

1. Воздушные вяжущие вещества (строительный гипс, воздушная известь).

Вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, способные при добавлении воды образовывать пластичное тесто, переходящее постепенно и необратимо в камневидное состояние. Вяжущие материалы делятся на воздушные, способные твердеть и приобретать прочность только на воздухе, и гидравлические, способные твердеть и приобретать прочность не только на воздухе, но и в воде.

К воздушным вяжущим относятся: гипс, воздушная известь, магнезиальный цемент, растворимое стекло. К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, роман-цемент, портланд-цемент, глиноземистый цемент, смешанные цементы.

Воздушные вяжущие вещества

Гипс в строительстве используется в виде тонкомолотого порошка, который называется «гипс строительный» (ГОСТ 126—57) и в зависимости от качества бывает 1-го и 2-го сорта.

Гипс получают из природного гипсового камня (двуводного гипса) путем обжига его при температуре 150—170° (не более) до перехода в полуводный гипс и измельчения в тонкомолотый порошок.

Обжиг гипса производят во вращающихся сушильных барабанах, в варочных котлах и во взвешенном состоянии.

Чаще применяется обжиг предварительно измельченного в порошок гипсового камня в цилиндрических варочных котлах (рис. 1) диаметром 1,5—3 м и высотой 1,5—3,5 м, снабженных Жаровыми трубами для прохождения горячих дымовых газов. Котел закрыт крышкой с отверстием для загрузки и трубой,

Через которую удаляется пар и пыль. Обожженный гипсовый порошок выгружают через отверстие в днище котла. Процесс обжига длится 1,5—2 часа.

Обжиг во взвешенном состоянии заключается в том, что измельченный гипсовый камень продувается по трубе и обжигается проходящими в трубе горячими дымовыми газами. Обожженный гипс затем просеивают и направляют на склад.

Рис. 1. Гипсоварочный котел емкостью 12 м3: 1 — юбка; 2 — бункер для топлива; 3 — привод мешалки; 4 — загрузочный шнек; о — бункер для порошка гипсового камня; S — бункер для обожженного гипса; 7 — разгрузочный канал котла; 8 — задвижки; 9 — котел; 10 — жаровые трубы котла; 11 — мешалкаM

Если гипсовый порошок замешать с водой, то образуется пластичная масса, которая быстро затвердевает, увеличиваясь в объеме на 1%. Схватывание (затвердевание) строительного гипса начинается через 3—5 минут, а конец схватывания — через 6—30 минут после смачивания с водой.

Гипс применяется для изготовления листов сухой штукатурки, перегородочных плит, архитектурных деталей, гипсобе-тонных материалов, а также в растворах для оштукатуривания внутренних поверхностей стен.

Воздушная известь издавна находит применение в строительстве в кладочных и штукатурных растворах, окрасках и для получения др,угих строительных материалов. Известь делится на негашеную — кипел-ку, гашеную — пушонку и известковое тесто.

Сырьем для получения извести служат известняки, чистые или с содержанием глинистых примесей (не более 8%). В результате обжига известняков при температуре 1000—1200° получается негашеная (комовая) известь, или кипелка. Обжиг известняков производят в вертикальных шахтных печах (рис. 4) периодического или непрерывного действия, а при небольших объемах производства — в напольных печах.

Напольная печь представляет котлован глубиной 2— 2,5 м, вырытый в плотном грунте или в карьере известняка. В котловане из кусков известняка выкладывают две-три топки (очел-ки), остальное пространство котлована заполняют кусками известняка неплотной выкладки. В выкладке оставляют колодец для выхода газов, кроме того, в разных местах ее ставят поленья дров, которые, выгорая, также образуют каналы для газов. Верх выкладки обмазывают глиной. Топливом в напольных печах служат сухие дрова или торф. Процесс загрузки, обжига и выгрузки длится 11 — 12 суток. В шахтных печах этот процесс проходит значительно быстрее.

Обожженная, т. е. негашеная известь, при соединении с водой гасится, образуя известь-пушон-ку (при 30—50% воды от веса негашеной извести) и известковое тесто (при количестве воды в 2—4 раза больше объема извести). Гашение извести производится в гасильных ямах или в специальных известегасильных машинах — гидраторах. Реакция гашения извести экзотермична, г. е. проходит с выделением значительного количества тепла.

Рис. 2. Шахтная печь для обжига извести: 1 — шахта печи; 2 — механизм для по-дечи известняка и топлива; 3 — зона подогрева; 4 — зона обжига; 5 — зона охлаждения; 6 — подача воздуха; 7 — разгрузочный механизм

Известь, гашенную в гасильных ямах, до применения ее в дело необходимо выдержать в яме не менее 2 недель, чтобы все непогашенные кусочки извести успели погаситься. При гашении извести в известегасилках, где она гасится с одновременным измельчением, гашеную известь можно использовать сразу после выхода ее из машины.

Рис. 3. Напольная печь для обжига извести

В настоящее время, кроме гашеной извести, по предложению И. В. Смирнова, стали применять молотую негашеную известь. В растворе порошкообразная негашеная известь гасится, поглощая воду при гашении, в результате известковое тесто значительно обезвоживается и происходит схватывание раствора. Но при недостаточном количестве воды в растворе происходит образование пушонки, в результате чего слой известкового раствора или изделия из извести разрушается, так как при переходе извести в пушонку объем ее значительно увеличивается.

Гашеная известь в растворах и изделиях постепенно твердеет в результате химического взаимодействия с углекислым газом воздуха и с течением времени превращается в известняк. Известь — медленно твердеющее вяжущее вещество, поэтому начальная прочность известковых растворов на сжатие очень незначительна.

Магнезиальный цемент, называемый также каустическим магнезитом или каустическим доломитом,— это продукт обжига природного каустического магнезита (при 800—850°) или каустического доломита (при 650—750°) и последующего измельчения в тонкомолотый порошок. При добавлении к магнезиальному цементу водного раствора хлористого или сернокислого’ магния получается магнезиальное вяжущее вещество. Этот вяжущий материал применяют для устройства ксилолитовых полов, искусственного мрамора, мозаичных плит, ступеней и других изделий. Изделия из магнезиального вяжущего имеют марки прочности от 400 до 600 кг/см2.

2. Сырье, получение и состав портландцемента.

Получение. Сырьем для получения цементов служат прир. материалы (известковые, глинистые, мергелистые, гипсовые, глиноземистые породы) и пром. отходы (металлургич. и топливные шлаки, золы от сжигания углей, белитовый шлам, отходы от переработки нефелиновых пород и др.). Произ-во цементов включает приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, их тонкий помол, перемешивание, корректировка хим. состава смеси), обжиг сырьевой смеси, тонкий помол обожженного продукта (клинкера) до порошкообразного состояния вместе с небольшим кол-вом гипса, активными (шлак, зола, гемза) и неактивными при взаимод. с водой (кварц, карбонатные породы) минер. добавками и др. в-вами, придающими цементам нужные св-ва (напр., пластификаторы, гидрофобные добавки). В зависимости от метода приготовления сырьевой смеси различают сухой, мокрый и комбинир. способы произ-ва. При сухом способе сырье (известняк и глина) в процессе дробления и помола в мельницах высушивается и превращается в сырьевую муку, после чего мука поступает на обжиг. При мокром способе помол сырьевых компонентов осуществляют в мельницах в присут. воды, к-рую вводят для понижения твердости, интенсификации процесса помола и уменьшения удельного расхода энергии. Влажность сырьевой смеси (шлама), поступающего на обжиг, при мокром помоле составляет 34-43% по массе; для снижения влажности шлама к сырьевой смеси добавляют сульфитно-дрожжевую бражку, триполифосфат Na или ПАВ. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по предыдущей схеме, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется в гранулы и поступает на обжиг. Обжиг сырьевой смеси осуществляют при 1450 °С во вращающихся (редко шахтных) печах, представляющих собой наклонный стальной цилиндр, в загрузочную часть к-рого подается сырьевая смесь, а со стороны выгрузки (головки) печи через форсунку — топливо (см. Печи). Сырьевая смесь движется по направлению к головке печи, подвергаясь действию нагретых топочных газов. Вращающуюся печь условно разделяют на неск. технол. зон. В зоне сушки под действием отходящих топочных газов сырьевая смесь подсушивается, в зоне подогрева нагревается до 500-600 °С и переходит в зону кальцинирования (900-1200 °С), в к-рой происходит разложение СаСО3. Получающийся СаО в твердом состоянии взаимод. с составными частями глины и железистого компонента с образованием в экзотермич. зоне 2CaO x SiO2, 5СаО x 3А12О3, 3СаО x А12O3, 4CaO x Al2O3 x Fe2O3, 2CaO x Fe2O3, а также СаО, MgO и др. оксидов. В зоне спекания при т-ре 1450 °С обжигаемый материал (клинкер) частично плавится; в этой зоне образуется главный минерал клинкера ЗСаО x SiO2. При дальнейшем прохождении по печи клинкер попадает в зону охлаждения (т-ра 1000-1200 °С). Холодный клинкер дробят и тонко измельчают вместе с гипсом и др. добавками в барабанных шаровых мельницах, а затем транспортируют в железобетонные цилиндрич. емкости — т. наз. цементные силосы. Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5131.html

Портландцемент представляет собой гидравлический вяжущий продукт тонкого помола цементного клинкера, который получается путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава. Сырье, пригодное для получения портландцемента должно иметь 75-78% карбоната кальция и 22-25% глины. Такое природное сырье встречается крайне редко, поэтому заводы производящие цемент отлично работают на искусственных смесях из карбонатных пород и глины. Спёкшаяся сырьевая смесь в виде зерен 40-50 мм называется клинкером.

Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO – 60-68%. SiO₂ – 19-25%, оксида алюминия 4-8%, оксида железа 2-6%.

При содержании в портландцементе серного ангидрида SO₃ более 3.5% или MgO более 4.5% наблюдается неравномерность изменения объема. Гидравлический модуль портландцемента 1.7 – 2.7. С целью увеличения содержания в портландцементе того или иного оксида в сырьевую смесь вводят корректирующие добавки, т.е. вещества, содержащие значительное количество того или иного оксида. При помоле клинкера добавляют до 5% гипса для регулирования сроков схватывания.

Улучшение некоторых свойств портландцемента и снижение его стоимости возможно путем введения до 15% активной минеральной добавки при измельчении клинкера. Портландцемент с активными минеральными добавками маркируют следующим образом: ПЦ 500Д15. Без добавок: ПЦ 500Д.

 

Технология получения цемента

Основные технологические операции выполняющиеся для получения цемента:

1. Добыча сырья и приготовление сырьевой смеси.

2. Обжиг сырьевой смеси и получение цементного клинкера.

3. Помол цементного клинкера с добавкой

Добыча сырья

Добыча сырья является основной в ступени производства цемента. Сырьём для цемента служит слой известняка зеленовато – жёлтого цвета. Добыча ведётся открытым способом. Залегания цементного известняка располагается на глубину до 10 м. неравномерными слоями до 0,7 м. Из опыта геологоразведочных работ таких слоёв, как правило, четыре.  Первичная обработка

После добычи известняк транспортируют и производят специальную сушку и первичный помол с добавлением специальных добавок. В маркировке такого цемента добавляется обозначение Д20, например ПЦ500 Д0 обозначает 0% добавок, а ПЦ 400Д20 — 20% добавок. В конце прохождения этой стадии смеси подвергают обжигу – таким образом получается клинкер. Конечная обработка

Далее полученный клинкер ещё раз размалывают и сушат с добавлением известкового камня и активными минеральными добавками. Полученный материал является готовым цементом с заданными свойствами.

Поскольку у каждого вида исходного сырья есть свои особенности: минеральный состав, влажность, прочность каждое производство имеет свою уникальную технологию, позволяющую добиться необходимых свойств цемента. В основном при производстве цемента на второй стадии используют одну из трёх отработанных технологий:

Мокрый способ

Применяется при производстве цемента из сырья состоящий из мела, глины, железосодержащих добавок. Требование к глине по влажности не более 20%, к мелу – не более 29%. Измельчение сырья производится в воде. Полученная шихта в виде суспензии влажностью до 50% поступает в печь для обжига. Диаметр печи может составлять 7 метров и длиной более 200 метров. В результате обжига получаются небольшие шарики – клинкеры, которые после тонкого помола станут готовым цементом.  Сухой способ

Основным отличием данного способа является то, что сырьё после или во время измельчения не увлажняется, а наоборот сушится. Таким образом, порошкообразная шихта поступает на обжиг уже в сухом виде. Данный вид обработки является наиболее экономически целесообразным, поскольку позволяет экономить не только сырьё, но и энергию, которая при мокром способе тратится на удаления воды из шихты. Комбинированный способ

Данный способ производства совмещает в себе два способа и предполагает две разновидности технологий.

Мокрым способом готовят сырьевую смесь – шлам. После чего шлам пропускают через фильтры, осушая смесь до 16-18%, а затем отправляют на обжиг.

Сухим способом готовят шлам. Затем добавляют воду до влажности смеси 10-14% и гранулируют в шарики. После обжига они становятся клинкерами. Размер клинкеров 10-15 мм

3. Свойства портландцемента (водопотребность, тонкость помола, сроки схватывания).

К основным свойствам портландцемента (ГОСТ 10178—85) относятся тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность (марка): цемента. При необходимости оценивают и другие свойства: плотность и насыпную плотность, тепловыделение, стойкость в различных условиях среды и т. п.

 Тонкость помола — один из факторов, определяющих быстроту твердения и прочность цементного камня. Обычный портландцемент измельчают довольно тонко — остаток на сите № 008 (4900отв/см2) не должен превышать 15%, что соответствует удельной поверхности цемента 2500…3000 ем2/г.

 Водопотребность портландцемента характеризуется  количеством воды (% массы цемента), которое необходимо для получения цементного теста нормальной густоты, т. е. заранее заданной стандартной пластичности, определяемой погружением в тесто цилиндра пестика прибора Вика. Водопотребность зависит от минерального состава и тонкости помола цемента и колеблется в пределах 22…26 %.

 Сроки схватывания и равномерность изменения объема цемента определяют на тесте нормальной густоты. Начало схватывания цементного теста должно наступать не ранее 45 мин, а конец схватывания — tie позднее 10 ч. Сроки схватывания определяют с помощью прибора Вика путем погружения иглы этого прибора в тесто нормальной густоты. Для получения нормальных сроков схватывания при помоле клинкера вводят добавку двуводного гипса, а в случае необходимости — специальные добавки— замедлители или ускорители схватывания.

Процесс твердения цементного камня сопровождается объемными деформациями: набуханием при твердении в воде, усадкой при твердении на воздухе. Эти неизбежные изменения объема учитываются в производстве строительных работ, предусматривая устройство усадочных швов. Неравномерное изменение объема цементного камня при твердении связано с наличием в клинкере свободных оксидов кальция и магния, которые при гидратации расширяются, вызывая местные деформации. По стандарту равномерность изменения объема определяют в образцах-лепешках, изготовленных из теста нормальной густоты, которые через 24 ч предварительного твердения кипятят 3 ч в воде. Лепешки не должны деформироваться, на них не допускаются радиальные трещины. Цемент, не обладающий равномерностью изменения объема, нельзя применять в строительстве.

 Прочность портландцемента является главным свойством, характеризующим его качество. В зависимости от предела прочности при сжатии и с учетом предела прочности при изгибе стандартных образцов-балочек через 28 сут твердения портландцемент разделяют на марки: 400, 500, 550, 600 (табл. 5.1),.

Фактическую прочность, полученную при испытании на осевое сжатие половинок указанных образцов, называют активностью цемента.

Прочность цемента при нормальных условиях твердения наиболее интенсивно нарастает в первые 7 сут твердения. Уже к 3 сут она составляет 30….35 %, а к 7 сут— 60…70 % от марки цемента. В дальнейшем рост прочности замедляется, но продолжается длительное время (месяцы, годы), следуя зависимости, близкой к логарифмической.

 Тепловыделение при твердении цемента зависит от минерального состава и тонкости измельчения цемента и составляет через 7 сут твердения 168…335 кДж/кг цемента. При полной гидратации 1 кг СзА выделяет 1090 кДж, C3S —670 кДж, C4AF — 570. кДж и C2S — 353 кДж теплоты. При изготовлении тонких бетонных конструкций теплота гидратации быстро рассеивается и не вызывает существенного разогрева бетона. При возведении массивных бетонных конструкций (плотины, фундаменты, толстые стены и т. д.) возможно повышение температуры до 50 °С и более, что может вызвать значительные перепады температур в наружных и внутренних зонах, возникновение температурных напряжений, которые нередко являются причиной появления трещин в бетоне. В некоторых случаях, например при бетонировании конструкций в холодное время, повышенное тепловыделение играет положительную роль, способствуя поддержанию положительной температуры бетона.

4. Марка портландцемента и способ ее определения.

Портландцементом называют порошкообразный (тонкодис-

персный) материал, полученный совместным помолом цементного клинкера и

добавки гипса.

Цемент – это основа строительной индустрии. Портландцемент М300

(марки 300) и 400 применяют в основном для приготовления бетонных и желе-

зобетонных монолитных конструкций, изготовления сборного железобетона;

портландцемент М500 и 600 – для гидротехнических сооружений, наружных

частей монолитного бетона массивных .сооружений, аэродромного строитель-

ства, производства асбестоцементных и многих других изделий.

Следует различать основные строительно-технические свойства:

— цементного теста;

— цементных растворов;

— бетонных смесей;

— изделий на основе цемента.

Свойства цементов влияют как на свойства растворов и бетонных смесей,

так и на свойства изделий. К важнейшим свойствам цемента относятся:

— химико-минералогический состав;

— истинная плотность;

— насыпная плотность;

— тонкость помола и гранулометрия;

— нормальная густота;

— сроки схватывания;

— равномерность изменения объема при твердении;

— прочностные характеристики и марка. 5

Свойства, характеризующие строительные растворы и бетонные смеси,

включают подвижность, живучесть (сроки схватывания), реологические свой-

ства (удобоукладываемость), нормальную густоту, водопотребность. Свойства

изделий характеризуются прочностными характеристиками, усадкой и набуха-

нинием, водонепроницаемостью, долговечностью, трещиностойкостью и др. •

При определении марки цемента отвешивают 200 г цемента и затворяют

его таким количеством воды, которое определяется нормальной густотой по

стандарту. Смесь перемешивают фарфоровой или металлической ложкой, энер-

гично растирая массу в течение 5 мин, в результате чего получают равномерно

перемешанное тесто. Каждую из двух форм, имеющих по шести ячеек кубиче-

ской формы с размером ребра 2 см, заполняют тестом и производят его штыко-

вание в каждой ячейке, протыкая 10 раз тесто проволочным стержнем диамет-

ром 3–4 мм и ведя штыкование по периметру ячейки спирально к ее центру. За-

тем каждую форму устанавливают на встряхивающий столик и встряхивают 25

раз, после чего каждую форму закрывают крышкой и завинчивают крепящие ее

болты. Обе формы с тестом помещают во влажную среду при температуре

20±2°С. Через 20 ч одну из форм извлекают и ставят в бачок для кипячения на

полку, расположенную выше уровня воды, после чего воду в бачке подогрева-

ют. Когда вода в бачке будет доведена до кипения, образцы пропаривают в те-

чение 4 ч, затем форму извлекают из бачка и остужают при комнатной темпера-

туре в течение 1 ч. Затем форму разбирают, извлекают кубики, измеряют, взве-

шивают и испытывают их на сжатие. Одновременно с этим из другой формы

извлекают кубики, хранившиеся во влажной среде при температуре 20±2°С,

которые после обмера и взвешивания также испытывают на сжатие. Испытание

проводят на прессе небольшой мощности (до 6–10 тс), дающем возможность

создавать рост напряжения в испытуемом кубике не более чем в 2–3 кгс/см2

в 1

сек. Кубик устанавливают на одну из боковых граней так, чтобы направление

разрушающего усилия было параллельно слою укладки. Образец центрируют

относительно направления сжимающего усилия.46

Для каждой серии из шести

кубиков вычисляют средний предел

прочности при сжатии из четырех

наибольших результатов.

Из средних результатов испы-

тания пропаренных кубиков (Асут

проп) и не подвергавшихся пропари-

ванию образцов (Асут норм) выводят

соотношение:

η = Асут проп./ Асут норм (9)

в соответствии с которым по графи-

ку рис. 8. находят переходной коэф-

фициент — κ от ускоренного

Рис. 8. График для определения испытания к стандартному.

переходного коэффициента от

ускоренного испытания к

нормальному (стандартному)

Приближенное значение активности портландцемента, т.е. его марки рас-

считывается по формуле: Ац = κ·Асут проп (10)

ВЫВОД. По результатам выполненного эксперимента приводится марка иссле-

дуемого портландцемента.

5. Состав и свойства цементобетона, марка бетона.

Бетон — искусственный каменный материал, получаемый после затвердевания бетонной смеси — рационально подобранной, тщательно дозированной, перемешанной и уплотненной смеси минерального вяжущего, воды, крупного и мелкого заполнителей и различных добавок.

В строительстве дорог наибольшее применение имеет тяжелый цементобетон плотностью 2100…2500 кг/м3 на заполнителях из плотных горных пород и некоторых промотходов. В качестве мелких заполнителей используют различные пески и отсев камнедробления. Качество бетона в большей степени зависит от используемых материалов, поэтому их правильный выбор, учитывающий как требования к бетону, так и свойства самих материалов, имеет важное значение в технологии. При этом должны учитываться экономические условия и экономические нормативы.

Подпор состава бетона включает в себя:

Назначение требований к бетону исходят из вида и особенностей изготовления и последующей эксплуатации изделия;

Выбор материалов для бетона и определение их свойств;

Расчет номинального состава бетона;

Приготовление и испытание бетонной смеси на пробных замесах;

Формирование и испытание бетонных образцов их пробных замесов;

Обработку результатов и уточнение номинального состава;

Переход от номинального состава к рабочему с учетом колебаний свойств заменителей;

Передачу в производство рабочих дозировок с учетом объема замеса.

В итоге подбора состава должны быть выполнены два основных условия: бетон должен иметь заданную прочность, а бетонная смесь — заданную удобоукладываемость.

Прочность бетона характеризуется классами, которые определяются величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. На производстве контролируют марку или среднюю прочность бетона. Между классом и средней прочностью имеется рассматриваемая ниже зависимость.

Бетон подразделяется на классы В1; В1,5; В2; В2,5; ВЗ; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗО; В40; В50; В55; В60. На марки бетона подразделяются следующим образом: М50; М75; М100; М150; М200; М250; М300; М350; М400; М450; М500; М600 и выше через 100.

Прочность определяется пределом прочности при сжатии стандартных бетонных образцов — кубов размером 15x15x15 см, испытанных через 28 сут. Твердения в нормальных условиях (температура 16-20°С, относительная влажность окружающего воздуха 90…100 %). При использовании кубов с другими размерами вводят масштабный переходной коэффициент, на который умножается полученная прочность:

Удобоукладываемость (формуемость) — способность бетонной смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя монолитность и однородность- является главным свойством бетонной смеси. Удобоукладываемость в производственных условиях оценивают через подвижность (жёсткость) двумя способами: по осадке конуса для пластичных и по времени растекания на техническом вискозиметре для жёстких смесей. Другие свойства смесей: уплотняемость, расслаиваемость, однородность, воздухововлечение, вязкость и др. изучаются в научно — исследовательских лабораториях.

Бетоны классифицируются по следующим признакам:

Основному назначению,

Виду вяжущего,

Виду заполнителей,

Структуре.

В зависимости от основного назначения бетоны подразделяются на:

Конструкционные,

Специальные(жарастойкие, химические стойкие, декоративные, радиационно -защитные, теплоизиляционные и т.д.)

По виду вяжущего бетоны могут быть на основе:

Цементных вяжущих,

Известковых вяжущих,

Шлаковых вяжущих,

Гипсовых вяжущих,

Специально вяжущих.

По виду заполнителей бетоны могут быть на:

Плотных заполнителях,

Пористых заполнителях,

Специальных заполнителях.

По структуре бетоны могут быть:

Плотной структуры,

Поризованной структуры,

Ячеичтой структуры,

Крупнопористой структуры. По ГОСТ 25192-82.

6. Свойства бетонной смеси (удобоукладываемость, подвижность, жесткость).

Свойства бетонной смеси

Удобоукладываемость — характеризует способность бетонной смеси заполнять форму бетонируемого изделия и уплотняться в ней под действием силы тяжести или внешних механических воздействий. Она оценивается подвижностью или жесткостью

Подвижность — способность смеси растекаться под действием собственной массы. Определяется глубиной осадки конуса.

Жесткость — способность смеси растекаться под воздействием вибрации.

Связность — характеризует способность смеси не расслаиваться при транспортировке, выгрузки и укладке.

Бетонная смесь в зависимости от метода ее укладки должна обладать определенной удобоукладываемостью, характеризующей способность смеси заполнять форму и уплотняться под влиянием собственной массы и внешних воздействий. Основными показателями удобоукладываемости являются подвижность и жесткость бетонной смеси.

Подвижность оценивают величиной осадки стандартного конуса, отформованного из бетонной смеси после снятия формы, а жесткость — временем, необходимым для расплава конуса смеси в техническом вискозиметре при ее вибрации с частотой 3000 колебаний в минуту и амплитудой 0,35 мм.

Большое влияние на технологические свойства смеси и формирование структуры бетона оказывает содержание воды в смеси. Увеличение количества воды снижает вязкость цементного бетона, уменьшает трение между частицами заполнителя. Бетонная смесь способна удержать определенное количество воды. Это свойство называется водоудерживающей способностью. Если количество воды превышает водоудерживающую способность, то происходят разрушение структуры смеси и расслоение ее.

Отношение количества воды к количеству цемента в смеси называют водоцементным отношением. При снижении водоцемент-Ного отношения подвижность бетонной смеси уменьшается, в то время увеличивается плотность (уменьшается пористость) бетона.

Для изготовления различных видов изделий применяются бе-ва заполнителей, количества воды, условия твердения и объемной массы.

Для растворов установлено восемь марок по прочности (4, 10, 25, 50, 75, 100, 200, 300) и девять марок по морозостойкости (от 10 до 300). Состав раствора определяют, исходя из заданных его свойств и наличия материалов, расчетом. При этом следует использовать табл. 5.2 и 5.3.

Растворы для каменных кладок (кладочные растворы) приготавливаются на гидравлических или воздушных вяжущих. Подвижность раствора для кирпичей кладки должна быть 8—13 см.

7. Коррозия цементобетона и меры защиты от коррозии.

Физические свойства — ТехЛиб СПБ УВТ

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. По величине плотности косвенно судят о некоторых других свойствах материала. Например, для каменных материалов существует приближенная зависимость между плотностью и теплопроводностью, а для древесины и некоторых каменных материалов (известняков) — между прочностью и плотностью.

Истинная плотность — величина, определяемая отношением массы однородного материала m(кг) к занимаемому им объему в абсолютно плотном состоянии V_a(м³), т. е. без пор и пустот:

Размерность истинной плотности — кг/м или г/см

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 метал-лов колеблется в широком диапазоне: алюминия — 2700 кг/м , 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 V_e (м ):

Так как V_e > V_a(равенство только в абсолютно плотных мате­риалах, не содержащих пор, — стали, стекле, воде), то всегда вы­полняется и соотношение

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.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и описан ранее.

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 широкополостных, вода не может задерживаться и вытекает.

Пористость стройматериалов — степень заполнения объема материала порами. Пористость — величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала. Если известны значения средней и истинной плотности, то пористость материала, %, рассчиты­вают по формуле

Она 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.

  Значения средней и истинной плотности и пористости некоторых строительных материалов

 

Материал	Плотность, кг/м		Пористость. %
	средняя	истинная
Гранит	2600…2700	2700…2800	0…2
Тяжелый бетон	2200…2500	2600…2700	2…25
Кирпич	1400…1800	2500…2600	25…35
Древесина	400…800	1500…1550	45…70
Пенопласт	15…100	950… 1200	90…98

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 (кг) к занимаемому им объему в рыхлом состоянии V_n(м ):

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

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.

Среди физических процессов наибольшее значение в практике имеют воздействия водной и паровой среды, тепловые воздействия, распространение звуковых волн, электротока, ядерных излучений и т. п. Отношение материала к статическому или циклическому воздействию воды или пара характеризуется гидрофизическими свойствами (гигроскопичность, капиллярное всасывание, во-допоглощение, водостойкость, водопроницаемость, паропроницаемость, влажностные деформации, морозостойкость).

Влажностные деформации — изменение размеров и объема материала при изменении его влажности. Уменьшение размеров и объема материала при его высыхании называют усадкой (усушкой), а увеличение размеров и объема при увлажнении вплоть до полного насыщения материала водой — набуханием (разбуханием). Усадка возникает и увеличивается в результате уменьшения толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала. Набухание связано с тем, что полярные молекулы воды, проникая между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы. Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина поперек волокон 30… 100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м; кирпич керамический 0,03…0,1 мм/м; тяжелый бетон 0,3…0,7 мм/м; гранит 0,02…0,06 мм/м).

Водопоглощение — способность пористого материала впитывать и удерживать в порах капельножидкую влагу. Разли­чают водопоглощение по массе и водопоглощение по объему.

Водопоглощение по массе W_м равно отношению массы воды т_вн полностью насыщающей материал, к массе сухого материала т

W_м= (т_вн/m)*100

Водопоглощение по объему W_вн %, характеризует степень за­полнения объема материала водой. Вычисляют водопоглощение как отношение объема воды V_вн при полном насыщении материала к его объему V_e

Водопоглощение по объему можно вычислить при известных значениях водопоглощения по массе и средней плотности мате-риала, используя формулу

Водопоглощение материалов, зависящее от характера порис­тости, может изменяться в широких пределах. Значения W_Mсо­ставляют 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 W_oне превышает пористости, так как объем впитанной материалом воды не может быть больше объема пор.

Величины W_oи W_мхарактеризуют 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 m_в, к массе (реже — к объему) материала в сухом состоянии т_с

W=(m_в/m)* 100.

Влажность может изменяться от нуля, когда материал сухой, до величины W_M, 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, R_Bк прочности при сжатии сухого материала R_c

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 — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Гигроскопичность вызывается сорбцией, представляющей собой физико-химический процесс поглощения водяных паров из воздуха как в результате их адсорбции на внутренней поверхности материала, так и капиллярной конденсации. Капиллярная конденсация возможна только в капиллярах с малым радиусом (менее 10~7 м), так как разность давлений насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью мениска и плоской поверхностью в капиллярах с большим радиусом несущественна.

Гигроскопичность зависит как от свойств материала — величины и характера пористости, так и от условий внешней среды—температуры и относительной влажности, а для сыпучих материалов также от их растворимости в воде и дисперсности и снижением температуры воздуха. Этот процесс носит обратимый характер. Гигроскопичность характеризуется величиной отношения массы поглощенной материалом влаги, при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20 °С, к массе сухого материала, выраженной в процентах.

Капиллярное всасывание (подъем) воды пористым материалом происходит по капиллярным порам, когда часть конструкции соприкасается с водой. Например, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Капиллярными называют поры с такими условными радиусами, при которых их капиллярный потенциал (потенциальная энергия поля капиллярных сил, отнесенных к единице массы жидкости) значительно больше потенциала поля тяжести.

Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Более точно, учитывая неправильную форму пор в материале и их изменяющееся поперечное сечение, высоту всасывания воды определяют экспериментально по методу «меченых атомов» либо по измерению электропроводности материала.

Для оперативного контроля влажности преимущественно сыпучих материалов (например, заполнителей для бетона — песка, щебня) применяют диэлькометрический и нейтронный методы. Диэлькометрический метод измерения основан на зависимости между влажностью и диэлектрической проницаемостью материала. В нейтронном методе используется связь влажности и степени замедления быстрых нейтронов, проходящих через материал.

При насыщении материала водой существенно изменяются его свойства: увеличивается плотность и теплопроводность, происходят некоторые структурные изменения в материале, вызывающие появление в нем внутренних напряжений, что, как правило, приводит к снижению прочности материала.

Воздухостойкость — способность материала выдерживать циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.

Многократное гигроскопическое увлажнение и высушивание вызывает в материале знакопеременные напряжения и со временем приводит к потере им несущей способности.

Влагоотдача — свойство, характеризующее скорость высыхания материала, при наличии соответствующих условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдача обычно характеризуется количеством воды, которое материал теряет в сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после строительства, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим (воздушно-влажным) состоянием.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды, прошедшее в течение 1 с через 1 м² поверхности материала при заданном давлении воды. Для определения водопроницаемости используют различные устройства, позволяющие создавать нужное одностороннее давление воды на поверхность материала. Методика определения зависит от назначения и разновидности материала. Водопроницаем мость зависит от плотности и строения материала. Чем больше в материале пор и чем эти поры крупнее, тем больше его водопроницаемость.

При выборе стройматериалов для специальных целей (кровельные материалы, бетоны для гидротехнических сооружений, трубы и др.) чаще оценивают не водопроницаемость, а водонепроницаемость, характеризуемую периодом времени, по истечении которого появляются признаки просачивания воды под определенным давлением через образец испытуемого материала (кровельные материалы), или предельной величиной давления воды (Па), при котором вода не проходит через образец (например, бетон).

Паропроницаемость и газопроницаемость — способность материала пропускать через свою толщу водяной пар или газы (воздух). Паропроницаемость характеризуется коэффициентом паропроницаемости, численно равным количеству водяного пара, проникающего через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, и разностью парциальных давлений пара в 133,3 Па. Аналогичным коэффициентом оценивается и газопроницаемость (воздухопроницаемость). Эти характеристики определяются для комплексной оценки физических свойств строительного материала или при его специальном назначении. Материалы для стен жилых зданий должны обладать определенной проницаемостью (стена должна «дышать»), т. е. через наружные стены происходит естественная вентиляция. Наоборот, стены и покрытия влажных помещений необходимо защищать с внутренней стороны от проникновения в них водяного пара, особенно зимой, когда содержание пара внутри помещения значительно больше, чем снаружи, и пар, проникая в холодную зону ограждения, конденсируется, резко повышает влажность в этих местах. В ряде случаев необходима практически полная газонепроницаемость (емкости для хранения газов и др.).

Морозостойкость — свойство материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. От морозостойкости в основном зависит долговечность материалов, применяемых в наружных зонах конструкций различных зданий и сооружений. Разрушение материала при таких циклических воздействиях связано с появлением в нем напряжений, вызванных как односторонним давлением растущих кристаллов льда в порах материала, так и всесторонним гидростатическим давлением воды, вызванным увеличением объема при образовании льда примерно на 9% (плотность воды равна 1, а льда — 0,917). При этом давление на стенки пор может достигать при некоторых условиях сотен МПа.

Очевидно, что при полном заполнении всех пор и капилляров пористого материала водой разрушение может наступить даже при однократном замораживании. Однако у многих пористых материалов вода не может заполнить весь объем доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. При насыщении пористого материала в воде в основном заполняются водой макрокапилляры, микрокапилляры при этом заполняются водой частично и служат резервными порами, куда отжимается вода в процессе замораживания.

При работе пористого материала в атмосферных условиях (наземные конструкции) водой заполняются в основном микрокапилляры за счет сорбции водяных паров из окружающего воздуха; крупные же поры и макрокапилляры являются резервными. Следовательно, морозостойкость пористых материалов определяется величиной и характером пористости и условиями эксплуатации изготовленных из них конструкций. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала при растяжении. Учитывая неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у пористых материалов, имеющих объемное водопоглощение не более 80 % объема пор. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Морозостойкость характеризуется числом циклов попеременного замораживания при —15, —17 °С и оттаивания в воде при температуре около 20 °С. Выбор температуры замораживания не выше —15, —17 СС вызван тем, что при более высокой температуре вода, находящаяся в мелких порах и капиллярах, не может вся замерзнуть. Число циклов (марка), которые должен выдерживать материал, зависит от условий его будущей службы в сооружении, климатических условий и указывается в СНиПах и ГОСТах на материалы.

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.

Материал считают выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов замораживания и оттаивания потеря массы образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5%, а прочность снижается не более чем на 15 % (для некоторых материалов на 25 %). Для определения морозостойкости иногда используют ускоренный метод, например с помощью сернокислого натрия. Кристаллизация этой соли из насыщенных паров при ее высыхании в порах образцов воспроизводит механическое    действие   замерзающей   воды, но в более сильной степени, так как образующиеся кристаллы крупнее (значительное увеличение объема). Один цикл таких испытаний приравнивается 5…10 и даже 20 циклам прямых испытаний замораживанием. С некоторым приближением о морозостойкости можно косвенно судить по величине коэффициента размягчения. Большое понижение прочности вследствие размягчения материала (больше 10 %) указывает, что в материале есть глинистые или другие размокающие частицы, что отрицательно сказывается и на морозостойкости материала.

Отношение материала к постоянному или переменному тепловому воздействию характеризуется его теплопроводностью, теплоемкостью, термической стойкостью, огнестойкостью, огнеупорностью.

Теплопроводность — сp align=»JUSTIFY»/td/spanвойство стройматериала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность К [Вт/(м*°С)] характеризуется количеством теплоты (Дж), проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м2 в течение 1 с, при разности температур на противоположных поверхностях материала 1 °С.

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, и определяется по формуле

где и — теплопроводность соответственно при температурах t и 0 °С; — температурный коэффициент, показывающий вели­чину приращения коэффициента теплопроводности материала при повышении температуры на 1 °С; t — температура материала, °С.

Теплоемкость — свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании. Материалы с, высокой теплоемкостью могут выделять больше теплоты при последующем охлаждении. Поэтому при использовании материалов с повышенной теплоемкостью для стен, пола, перегородок и других частей помещений температура в комнатах может сохраняться устойчивой длительное время. Теплоемкость оценивают коэффициентом теплоемкости (удельной теплоемкостью), т. е. количеством теплоты, необходимой для нагревания 1 кг материала на 1 °С.

Строительные материалы имеют коэффициент теплоемкости меньше, чем у воды, которая обладает наибольшей теплоемкостью [4,2 кДж/(кг*°С)]. Например, коэффициент теплоемкости лесных материалов 2,39…2,72 кДж/(кг*°С), природных и искусственных каменных материалов — 0,75…0,92 кДж/(кг*°С), стали — 0,48 кДж/(кг*°С). Поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость возрастает, но вместе с тем возрастает и теплопроводность.

Коэффициент теплоемкости материалов используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций (стен, перекрытий), подогрева материала при зимних работах (бетонных, каменных и т. д.), а также при расчете печей. В некоторых случаях приходится рассчитывать размеры печи, используя удельную объемную теплоемкость, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 м³ материала на 1 °С.

Термическая стойкость — способность материала выдерживать чередование (циклы) резких тепловых изменений. Это свойство в значительной степени зависит от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент линейного температурного расширения характеризует удлинение 1 м материала при нагревании его на 1 °С, коэффициент объемного расширения характеризует увеличение объема 1 м³ материала при нагревании его на 1 °С.

Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше и его термическая стойкость, т. е. большое количество циклов резких смен температуры он может выдержать. Так, каменные материалы из мономинеральных горных пород (мрамор) более термостойки, чем породы, сложенные из нескольких минералов (например, гранит). При жестком соединении материалов с различными коэффициентами линейного расширения в конструкциях могут возникнуть большие напряжения и, как результат, — коробление и растрескивание материала. Во избежание этого конструкции большой протяженности разрезают деформационными швами.

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 — 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…1580 °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. Отношение, характеризующее количество погло­щенной энергии Е_поглк падающей Е_падназывают коэффициен­том звукопоглощения α

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.

Качество звукоизоляционных ограждений оценивают коэф­фициентом звукопроводности т, представляющим собой отно­шение количества звуковой энергии, прошедшей через преграду, к звуковой падающей энергии Е_пад

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.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

Пикнометры | Определение истинной плотности веществ

Плотность – это один из фундаментальных параметров, описывающих физические свойства твердых материалов. Она определяется как отношение массы сухого образца к его объему:

d = m/V

В порометрии различают несколько видов плотности:

Объемная плотность — плотность, определяемая внешним объемом твердого образца, рассчитанная без вычета присутствующих в нем пустот (открытых и закрытых пор, трещин и щелей)

Истинная плотность – плотность, рассчитанная с вычетом всех присутствующих в твердом образце пустот, за исключением закрытых пор. Эта величина наиболее близка к реальной плотности материала.

Кажущуюся плотность – плотность, рассчитанная по количеству жидкости (например, ртути) проникающей в поры. Может отличаться от истинной плотности, поскольку ртуть не способна проникнуть в поры размером менее 3.6 нм.

Реальная плотность                            Объемная плотность

     

Истинная плотность                             Кажущаяся плотность

    

Для измерения плотности пористых и непористых твердых материалов обычно используются следующие методы:

• Метод вытеснения жидкости
• Метод ртутной порозиметрии
• Метод вытеснения газа 

Все указанные выше методы основаны на проникновении текучей среды в поры материала для заполнения всего объема пор. Данным способом можно определить реальный объем, занимаемый образцом. Главные ограничения использования методов вытеснения жидкости связаны с затруднительностью заполнения жидкостью (водой, этанолом, ртутью) всех пор, так как у некоторых материалов их диаметр может быть очень маленьким, менее 3 нм. Поэтому мы не можем быть уверены, что в ходе эксперимента были заполнены все поры, а значит, определяемая в данном случае плотность является Кажущейся плотностью, и может значительно отличаться от Истинной плотности. Более того, при использовании методик, требующих высокого давления, некоторые образцы могут сжиматься или разрушаться под давлением, что искажает результаты измерений.
Одним из наиболее точных методов определения плотности является метод вытеснения гелия; на практике этот метод реализуется с помощью Гелиевого Пикнометра. Гелий — это инертный газ, состоящий из молекул очень маленького размера, которые могут проникать даже в самые узкие поры. Высокая теплопроводность гелия и его поведение при комнатной температуре близкое к идеальному газу, делает данную технологию невероятно быстрой и надежной. В случаях, когда не рекомендуется использовать гелий (например, при исследовании активированных углей), может быть использован другой инертный газ, например азот.

При использовании метода вытеснения гелия, хорошо высушенный, взвешенный образец помещается в измерительную камеру, откалиброванную по объему. Гелий (или другой инертный газ), под определенным давлением, подается в эталонную камеру известного объема и затем перемещается в измерительную камеру с образцом. Когда давление стабилизируется, снимаются экспериментальные данные и вычисляется объем помещенного материала. Зная массу образца, можно рассчитать его истинную плотность.

Определение истинной плотности

Истинная плотность численно равна массе единицы объема мате­риала в абсолютно плотном состоянии без пор, пустот и трещин. Следова­тельно, истинная плотность – это плотность вещества, из которого состоит материал. Для материалов и изделий, имеющих одинаковый вещественный состав, истинная плотность одинакова (кирпич, керамзит).

Для определения этого показателя используют предварительно вы­сушенную и измельченную пробу материала. Чем больше степень измель­чения, тем плотнее расположение частиц в объеме и, следовательно, меньше погрешность опыта.

Навеску порошкообразного материала 30 г с помощью воронки пе­реносят в пикнометр вместимостью 100 см. Порошок заливают водой примерно на 1,5 см выше уровня материала и ставят пикнометр на водя­ную или песчаную баню в наклонном положении. Для удаления пузырьков воздуха и уплотнения порошка смесь кипятят 15 – 20 мин. После этого колбу охлаждают до комнатной температуры, доливают водой до метки (по нижнему мениску) и взвешивают с точностью до 0,1 г. Затем содержи­мое выливают, пикнометр ополаскивают и, заполнив водой до метки, взвешивают.

Истинную плотность ρ, г/см , рассчитывают по формуле

ρ = m ρв / m + m1 – m2 (6)

где m – масса навески порошка, г; ρ_в – плотность воды, принимаемая рав­ной 1 г/см³; mj – масса пикнометра с водой, г; m₂ – масса пикнометра с на­веской порошка и водой, г.

Определение пористости

Пористость – один из важнейших показателей структуры любого материала. Общая пористость материала состоит из объема замкнутых пор, изолированных от внешней среды, и открытых (капиллярных), доступных проникновению воды, газов. В зависимости от характера пор эксплутацинные свойства материалов – морозостойкость, теплопровод- ность, звуко­поглощение, водонепроницаемость, коррозионная стойкость различны. При одинаковой общей пористости свойства материалов будут зависеть от объема открытых пор.

Пористость П, %, зависит от плотности вещества, из которо­го состоит материал – ρ, его плотности в естественном состоянии – ρ_о, и рассчитывается по формуле

П = (1 – ρо / ρ) · 100 (7)

где ρо – средняя плотность, г/см³; ρ – истинная плотность, г/см³.

Полученные значения сравнивают с данными таблицы 3.

Таблица 3 – Общая пористость и пустотность строительных материалов

Показатель	Материал
бетон тяжелый	стекло	сталь	гра­нит	кирпич керамиче-ский	гравий керамзи- товый	щебень плотный	песок кварцевый
Общая пористость	5 – 15			2 – 3	25 – 35	70 – 72	3 – 4	–
Пустотность						40 – 45	35 – 50	25 – 40

Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы

1 Какие экспериментальные данные надо иметь, чтобы рассчитать истинную плотность материала?

2 От чего зависит истинная плотность материала?

3 Какие экспериментальные данные надо иметь, чтобы рассчитать среднюю плотность материала?

4 Как рассчитать среднюю плотность образца правильной и неправильной формы?

5 От чего зависит средняя плотность материала?

6 Истинная и средняя плотность материала. Что в этих показателях общее и что разное?

7 Что такое насыпная плотность? Как определить этот показатель?

8 С какой целью определяют пустотность рыхлозернистых мате­риалов?

9 Какое влияние оказывают открытая и замкнутая пористость на морозостойкость материала?

Перечень ГОСТов и СТБ, используемых при выполнении лабораторной работы

1 СТБ 4.201-79. Система показателей качества продукции. Строительство. Материалы и изделия теплоизоляционные. Номенклатура показателей.

2 СТБ 4.211-80. Система показателей качества продукции. Строительство. Материалы строительные нерудные и заполнители для бетона пористые. Номенклатура показателей.

Лабораторная работа № 2. Определение водопоглощения и прочности материалов

Вопросы допуска к выполнению лабораторной работы

1 Что такое водопоглощение?

2 От чего зависит водопоглощение?

3 От чего зависит прочность?

4 Как определяют марку прочности материала?

Цель работы:

Учащийся должен приобрести:

1 Навыки:

— определения основных физических свойств строительных мате­риалов;

— работы с используемыми приборами и оборудованием;

— обработки результатов испытаний.

2 Умения:

— устанавливать общую зависимость между характеристиками;

-физических свойств материалов;

— анализировать полученные результаты, оценивать влияние струк­туры исследуемых материалов на их эксплутационные свойства;

— делать выводы о рациональном применении материалов;

— Полученные данные заносят в таблицу 1.

Таблица 1 – Физико-механические свойства материалов

Наименование показателей	Единица Измерения	Материал
Кирпич керамический	Пеносиликат
Водопоглощение по массе	%
Предел прочности	МПа

Используемые приборы и оборудование:

1 Лабораторные и настольные циферблатные весы.

2 Емкость для кипячения образцов.

3 Баня песчаная или водяная.

4 Шкаф сушильный.

5 Гидравлический пресс.

Определение водопоглощения

Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в порах воду. Вода заполняет мельчайшие поры и капилляры в материале, но так как часть из них все же оказывается недоступной для воды, а в порах заполняемых водой частично остается воздух, то по количеству воды, поглощаемой материалом, только приблизительно можно установить открытую пористость материалов. Водопоглощение важный показатель с точки зрения его эксплуатации. При насыщении материала водой снижается его проч­ность, увеличиваются средняя плотность, теплопроводность, наблюдаются коррозионные процессы.

Для определения водопоглощения высушенные до постоянной мас­сы образцы взвешивают, помещают в емкость, наполненную водой ком­натной температуры, так чтобы уровень воды был выше верха образца не менее чем на 20 мм. В таком положении образцы выдерживают в течение 48 часов. Затем их вынимают, обтирают влажной тканью и взвешивают. При этом масса воды, вытекающей из образца на чашку весов, должна включаться в массу образца.

Водопоглощение по массе W_m, %, по объему W_о,%, определяют по формулам

Wm = [(m2 – m1 / m1] · 100 (1)

Wо = [(m2 – m1) / V] · 100 (2)

где Wm – водопоглощение по массе, Wо – водопоглощение по объёму, m1 – масса сухого образца, г; m2 – масса образца, насыщенного водой, г; V объём образца в естественном состоянии, см³.

Определение прочности

Прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Под воздействием различных нагрузок материалы в зданиях и сооружениях испытывают различные внутренние напряжения (сжатие, растяжение, изгиб, срез и др.)

Прочность является важным свойством большинства строительных материалов, от её значения зависит нагрузка, которую может воспринимать данный элемент при данном сечении. Если материал обладает большей прочностью, то размер сечения элемента может быть уменьшен.

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности при сжатии, при изгибе и при растяжении, её определяют путём испытания образцов в лаборатории на гидравлических прессах или разрывных машинах.

Пределом прочности при сжатии материала называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии Rсж,МПа, определяют по формуле

Rсж = F/A (3)

где F – разрушающая нагрузка, Н; А – площадь поперечного сечения образца см²

Для определения предела прочности при сжатии образцы материала подвергают действию сжимающих внешних сил и доводят до разрушения.

Испытуемые образцы должны быть правильной геометрической формы (куб, параллелепипед, цилиндр). Образцы из природных каменных материалов, имеющих форму кубов, могут быть следующих размеров: 50 ´ 50 ´ 50, 70 ´ 70 ´ 70, 100 ´ 100 ´ 100 мм. Образцы из плотных материалов можно принимать меньшего размера, а из пористых материалов – большего.

Образцы кубической формы изготовляют при помощи специальных дисковых пил. При распиливании камня под лезвие пилы вводят абразивный порошок в смеси с вязкой суспензией из тяжёлой глины.

Для испытания образцов материала на сжатие применяют гидравлические прессы и универсальные испытательные машины. Перед испытанием образец очищают мягкой щёткой или тканью, взвешивают, обмеряют с точностью до 1 мм и устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса точно по её центру. Верхнюю опорную плиту при помощи винта опускают на образец и плотно закрепляют его между двумя опорными плитами. Затем, убедившись в правильности установки образца, включают в действие насос пресса и дают на образец нагрузку, следя за скоростью её нарастания (0,5 – 1 МПа в 1 с). В момент разрушения образца, т. е. в момент наибольшей нагрузки на образец, стрелка остановится и пойдёт обратно. Этот момент необходимо зафиксировать.

Каждый материал испытывают не менее чем на трёх образцах. За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов испытаний трёх образцов. Результаты испытаний как отдельные, так и средние заносят в журнал для лабораторных работ.

Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы

1 Какая зависимость существует между водопоглощением по объему и общей пористостью материала? Всегда ли эта зависимость спра­ведлива?

2 Можно ли ориентировочно определить область применения ма­териала (изделия), если известно его водопоглощение?

3 Влияние влажности на прочность материалов

4 Что такое прочность материала и чем она характеризуется?

Структурные характеристики и параметры состояния материала

Структурные характеристики и параметры состояния материала

Основные структурные характеристики материала, во многом определяющие его технические свойства,— это плотность и пористость; важнейший параметр состояния — влажность.

Плотность — физическая величина, определяемая массой единицы объема вещества (или материала).

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

Истинная плотность р (кг/м3) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества этого материала Va (м ):
p = m/Va.

Таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал,— это физическая константа вещества.

Значение истинной плотности вещества зависит в основном от его химического состава, и у материалов с близким химическим составом истинная плотность приблизительно одинаковая.

У каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500…3000 кг/м.

Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800… 1200 кг/м . Относительно высокая истинная плотность у древесины — около 1500 кг/м3.

Большие различия в истинной плотности наблюдаются лишь у металлов (кг/м3): алюминий — 2700, сталь — 7850, свинец — 11 300. Плотность воды (истинная и средняя) — 1 г/см3 = 1000 кг/м.

Следовательно, средняя плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) можно получать с заданной (требуемой) плотнотью. Например, меняя пористость бетона, можно получить как тя-елый бетон плотностью до 2500 кг/м , так и особо легкий — плотностью менее 500 кг/м .

Древесина некоторых пород имеет рл более 1000 кг/м1, т.е. больше плотности воды.

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и с качественной, т. е. по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2…5 мм). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, полистирольный пенопласт, с пористостью до 98%, имеет замкнутые поры и практически не поглощает воду. В то же время керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (около 30%), из-за открытого характера пор (большинство пор представляет собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопогло-щение, теплопроводность, акустические свойства, морозостойкость, прочность и др.

Влажность — содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии.

Читать далее:
Классификация строительных материалов
Строительные растворы
Общие сведения о каменных материалах
Коррозия природного камня и меры защиты от нее
Использование отходов камнеобработки
Материалы и изделия из природного камня
Добыча и обработка природного камня
Главнейшие горные породы, применяемые в строительстве
Породообразующие минералы
Общие сведения о природных строительных материалах

В чем разница между теоретической плотностью и фактической плотностью? — MVOrganizing

В чем разница между теоретической плотностью и фактической плотностью?

Теоретическая плотность — это истинная плотность материала, соответствующая пределу, достигаемому для изделий полной плотности без пор.

Как найти теоретическую плотность?

Истинную плотность легко вычислить, исходя из молекулярной массы и объема элементарной ячейки.Если элементарная ячейка имеет более одной формульной единицы, вы должны умножить ее на вес формулы и разделить на элементарную ячейку, вы получите истинную плотность, также называемую рентгеновской плотностью материалов.

Какова формула теоретической плотности и что означает каждый термин?

Плотность, масса единицы объема материального вещества. Формула для плотности: d = M / V, где d — плотность, M — масса, V — объем. Плотность обычно выражается в граммах на кубический сантиметр.Например, плотность воздуха составляет 1,2 килограмма на кубический метр.

Что такое теоретическая плотность?

Максимально достижимая плотность определенного элемента, соединения или сплава без внутренних пустот или загрязнений. Он рассчитывается из числа атомов в элементарной ячейке и измерения параметров решетки.

Как найти теоретическую плотность воды?

Масса и размер молекул в жидкости, а также то, насколько плотно они упакованы вместе, определяют плотность жидкости.Как и у твердого тела, плотность жидкости равна массе жидкости, деленной на ее объем; D = м / об. Плотность воды — 1 грамм на кубический сантиметр.

Что такое теоретическая плотность воды?

Чистая вода имеет плотность 0,99823 грамма / кубический сантиметр при давлении 1 атм и температуре 20 градусов по Цельсию (68 градусов по Фаренгейту).

Есть ли предел плотности?

Плотность — это мера массы материала в определенном объеме пространства.Чем сильнее сплющены частицы объекта, тем он плотнее. Почти все материалы достигают максимальной плотности при очень низких температурах и очень высоких давлениях. …

Какие реальные примеры плотности?

Примеры повседневной плотности

• При разливе нефти в океане нефть поднимается вверх, поскольку она менее плотная, чем вода, создавая нефтяное пятно на поверхности океана.
• Чашка из пенополистирола менее плотная, чем керамическая чашка, поэтому чашка из пенополистирола будет плавать в воде, а керамическая чашка утонет.

Кажущаяся плотность — обзор

12.4.3.1 Процесс образования кокса

Кажущаяся плотность угольных брикетов настолько высока, что теоретически можно получить высокопрочный кокс из полумягких коксующихся углей, если их плотность сохраняется высокой во время карбонизации. Кроме того, производительность в обычной коксовой печи щелевого типа регулируется за счет теплопроводности через уголь и слой кокса шириной 400–500 мм. Однако эту длину теплопроводности можно уменьшить путем прямого нагрева угольных брикетов размером около 50 мм для увеличения производительности.Увеличение скорости нагрева может улучшить слеживаемость угля, что способствует использованию полумягких коксующихся углей.

Процесс образования кокса был разработан в Японии как национальный проект с 1978 по 1987 год (Miura and Okuhara, 1983; Okuhara et al., 1990). В этом процессе брикетируется смесь углей и каменноугольного пека, и брикеты карбонизируются в шахтной печи путем впрыскивания горячего газа сгорания через верхнюю и нижнюю фурмы для непрерывного производства кокса.

Основными техническими проблемами, которые необходимо решить в процессе карбонизации, были (1) смятие и слипание брикетов в результате размягчения связующего на начальной стадии карбонизации, (2) разбухание брикетов из-за чрезмерной слеживаемости. или недостаточное плавление частиц угля из-за отсутствия слеживаемости, и (3) образование трещин в образовавшемся коксе, вызванное сжатием к концу карбонизации.

Смятие и прилипание брикетов предотвращалось быстрым нагревом их в атмосфере 300–400 ° C с образованием тонкого твердого слоя кокса на их поверхности. Набухание контролировали, нагревая их при определенной скорости нагрева, которая была недостаточно высокой, чтобы вызвать их набухание, но также не настолько низкой, чтобы подорвать их способность к слеживанию, до тех пор, пока расплавленный уголь не затвердел снова. Трещины предотвращали за счет ограничения скорости нагрева в определенном диапазоне после повторного затвердевания. Другими словами, начальная обработка быстрым нагревом с последующей умеренной обработкой при температуре около 600 ° C, как показано на рис.12.20, был применен для эффективной успешной карбонизации брикетов.

Рисунок 12.20. Соответствующие схемы нагрева брикетов в процессе коксования. VM , летучие вещества; CI , индекс спекания.

Воспроизведено с разрешения Miura, Y., Okuhara, T., 1983. Настоящий аспект развития технологии непрерывного производства формованного кокса. Транзакции ISIJ 23, 700–709. © 1983, ISIJ.

Двухступенчатый нагрев оказался идеальной схемой нагрева, как показано на рис.12.21. Температурный профиль в шахтной печи карбонизации показан на рис. 12.22.

Рисунок 12.21. Схема нагрева для двухступенчатого нагрева в процессе коксования.

Воспроизведено с разрешения Miura, Y., Okuhara, T., 1983. Настоящий аспект развития технологии непрерывного производства формованного кокса. Транзакции ISIJ 23, 700–709. © 1983, ISIJ.

Рисунок 12.22. Температурный профиль в шахтной печи карбонизации в процессе коксования.

Воспроизведено с разрешения Миуры Ю., Окухара, Т., 1983. Современный аспект развития технологии непрерывного производства формованного кокса. Транзакции ISIJ 23, 700–709. © 1983, ISIJ.

Чтобы установить непрерывный процесс образования кокса на прочной основе и производить кокс для коммерческого испытания доменной печи, на заводе в Явате была построена опытная установка мощностью 200 тонн в сутки. Завод начал работу в 1984 году и произвел 93 000 тонн кокса за 580 дней до 1986 года. Технологическая схема процесса и составы шихты показаны на рис.12.23 и 12.24 соответственно.

Рисунок 12.23. Технологическая схема процесса образующегося кокса.

Воспроизведено с разрешения Miura, Y., Okuhara, T., 1983. Настоящий аспект развития технологии непрерывного производства формованного кокса. Транзакции ISIJ 23, 700–709. © 1983, ISIJ.

Рисунок 12.24. Состав угольной шихты в коксовом процессе. VM , летучие вещества; CI , индекс спекания.

Воспроизведено с разрешения Miura, Y., Okuhara, T., 1983. Настоящий аспект развития технологии непрерывного производства формованного кокса.Транзакции ISIJ 23, 700–709. © 1983, ISIJ.

Видно, что уголь из смесительных бункеров сначала сушится, затем смешивается со связующим (мягкий пек), брикетируется и, наконец, хранится в брикетных бункерах. Угольные брикеты загружаются в верхнюю часть шахтной печи (длина 6,45 м, ширина 1,25 м, высота 14 м), в которую подается низкотемпературная газовая фурма, высокотемпературная газовая фурма и фурма охлаждающего газа. , и нагревается непосредственно за счет подъема горячего газа до 1000 ° C, в то время как брикеты опускаются в верхнюю часть печи.Температуры генерируемого газа, низкотемпературного газа и высокотемпературного газа составляют 350 ° C, 630 ° C и 1050 ° C соответственно. Образовавшийся кокс охлаждается до 100 ° C в нижней части путем впрыскивания газа 55 ° C и выгружается из нижней части печи. Образующийся газ, извлекаемый из верхней части печи, охлаждается и рециркулируется в нагреватель высокотемпературного газа и нагреватель низкотемпературного газа. Охлаждающий газ, вводимый через нижнюю часть печи, выбрасывается из зоны охлаждения и смешивается с газом, предназначенным для низкотемпературной фурмы.

Содержание ВМ и индекс спекания углей, использованных в испытаниях на пилотной установке, варьировались от 24% до 38% и от 45% до 72%, соответственно. Качество кокса, произведенного на опытной установке, было таким же, как у коксовой печи щелевого типа. Автоматизация и герметизация устройств для загрузки брикетов и разгрузки образовавшегося кокса и устройств для циркуляции греющего газа были такими, как изначально ожидалось. На остановку и перезапуск оборудования карбонизации ушло 4 дня. Образовавшийся кокс, составляющий от 20% до 30% коксовой шихты, непрерывно использовался в доменной печи с внутренним объемом 4250 м 2 ³ на заводе Yawata в течение 74 дней.Это испытание подтвердило, что образовавшийся кокс можно использовать в реальной доменной печи, например, в коксовой печи щелевого типа. Пилотная установка была перезапущена в 1991 году, через 4 года после остановки, и на ее заводе было произведено 43 000 тонн образующегося кокса с показателем прочности барабана JIS 84,5–84,8 (DI ¹⁵⁰ ₁₅ ) и 56–58 прочности кокса после реакции. 239 дней операции (Oshima et al., 1993). Никаких заметных повреждений кирпичей внутри шахтной печи не наблюдалось, и было продемонстрировано, что завод может быть легко перезапущен даже после его полной остановки.

Характеристики FCP являются экологически безопасными благодаря карбонизации, происходящей в закрытой системе, его гибкости с точки зрения производительности и его способности работать с более полумягкими коксующимися углями. Однако предстоит решить еще две проблемы. Во-первых, форма сформированного кокса, произведенного FCP, более однородна, чем у обычного кокса, что увеличивает плотность упаковки кокса в доменной печи, и это делает сопротивление образованного коксового слоя газу почти вдвое большим, чем у него. обычного коксового слоя.Во-вторых, количество общей энергии, потребляемой в FCP, намного больше, чем в обычном процессе коксования. Чтобы решить эту проблему, были проведены дальнейшие исследования, в первую очередь, для оптимизации формы образующегося кокса, чтобы снизить сопротивление образующегося коксового слоя газу, и, во-вторых, для оптимизации профиля нагрева, чтобы снизить потребление энергии и образование трещин в коксе. (Комаки и др., 1994, 1996).

Теоретическая плотность — обзор

13.3 Физико-механические свойства композитов на основе поливинилбутираля, армированных волокнами кенафа, и его гибридов

Были определены экспериментальная и теоретическая плотность и объемная доля ламинированного композита.Экспериментальная и теоретическая плотность композитов рассчитывалась по формуле принципа Архимеда. Некоторые параметры необходимо было измерить, рассчитать и получить от производителя. Экспериментальные плотности композитов рассчитывались путем деления экспериментального веса на измеренный объем для каждого гибридного композитного материала, выраженного в граммах на кубический сантиметр.

Исходя из массовой доли и плотности каждого компонента ламинированных гибридов, теоретические плотности композита ( ρ ) были рассчитаны по формуле.(13.1) после стандартного испытания ASTM (ASTM, 2008a, b). Объем был точно измерен по размерам пяти образцов с помощью цифрового штангенциркуля; зафиксировано среднее значение. Экспериментальные плотности композитов рассчитывались путем деления веса на объем для каждого гибридного композита; выражается в граммах на кубический сантиметр. Объемная доля волокна — это процент содержания волокна во всем объеме ламинированного гибридного композита. Это очень важно для определения общего механического отклика и свойств композита.Более высокая объемная доля волокна обычно приводит к лучшим механическим свойствам композитов (Endruweit et al., 2013). Как только плотность композита была определена, объемные доли волокна в гибридных композитах могут быть рассчитаны по формуле. (13,2):

(13,1) ρтеоретический (г / см3) = 1 (WAρA + WKρK + WPρP)

(13,2) υf (%) = (WAρA + WKρk) (WAρA + WKρk + WPρP) × 100

где W _A , W _K и W _P — массовые доли арамида, кенафа и пленки ПВБ, а ρA, ρK и ρP — плотности арамида. , кенаф, пленка ПВБ.

Сводка расчетных значений теоретической и экспериментальной плотности и объемной доли волокна для образцов слоистых композитов с различным рисунком наслоения представлена ​​в Таблице 13.3.

Таблица 13.3. Расчетные плотности композитов и соответствующие объемные доли волокна

9015 9015 9015 9015

Описание образцов	Код образца	Экспериментальная плотность (г / см 3 )	Теоретическая плотность (г / см 3 )	Объемная доля волокна (% )
				Арамид	Кенаф
11 арамид / 8 Кенаф	h2	1.109	1,16	24,55	36,44
9 арамид / 10 кенаф	h3	1,1	1,16	18,75	42,48									9012	0	61,96

Изменение плотности гибридных композитов кенаф / арамид с различной объемной долей волокна показано на рис. 13.3. Можно отметить, что с увеличением объемной доли волокна кенафа происходит снижение плотности композита, что связано с использованием большего количества слоев пленки ПВБ.Это ожидается в результате того, что пленка ПВБ имеет более низкую плотность, чем волокна кенафа и арамида. Тенденция уменьшения плотности композита с увеличением объемной доли волокна кенафа практически линейна. Однако уменьшение объемной доли арамидного волокна снижает плотность композита, чего следовало ожидать в результате того, что арамидное волокно имеет более низкую плотность, чем волокна кенафа. Обычно наблюдается, что на плотность композитов значительное влияние оказывает объемная доля волокон.Однако на плотность композитов не влияла конфигурация слоев. Аналогичная тенденция меньшего влияния конфигурации волокон на плотность композитов также наблюдается предыдущим исследователем при использовании того же количества слоев (Dehury, 2014).

Рисунок 13.3. Изменение плотности композита в зависимости от объемной доли волокна.

Одним из важных параметров, которые следует учитывать при выборе натурального волокна в качестве армирования в полимерных композитах, являются свойства при растяжении.Испытания на растяжение были проведены в соответствии с ASTM (2008a, b) для определения механических свойств композитов. Испытания на растяжение проводились на гидравлической универсальной испытательной машине модели 810 Instron, с усилием 250 кН, как показано на рис. 13.4. Используя гидравлические клиновые захваты, края образцов были осторожно зажаты для достижения равномерного распределения давления на образцы при приложении зажимающей нагрузки. Эти испытания проводились до разрушения образца для измерения максимальной прочности на растяжение, максимальной деформации при растяжении, модуля упругости и графика «напряжение-деформация» с фиксированной скоростью ползуна 2 мм / мин.Образцы на растяжение были вырезаны до 250 × 25 мм × фактической толщины для каждой композитной плоской полосы с прямоугольным сечением (расчетная длина 170 мм).

Рисунок 13.4. Образцы для испытаний на растяжение и установка образцов выполняются на машине для испытаний на растяжение.

На рис. 13.5 показано среднее значение кривых растяжения при разрушении для композитов кенаф и его гибридов. Первоначально кривые являются линейными при низкой деформации, после чего следует изменение наклона, показывающее нелинейное поведение до разрушения гибридов.Нелинейность после пикового напряжения может быть связана с различными механизмами разрушения, задействованными во время растягивающей нагрузки, такими как кенаф и арамидные волокна и разрушение матрицы в разное время. Как правило, экспериментальные результаты четко указывают на тенденцию к снижению прочности на разрыв и модуля упругости гибридного композита по мере того, как содержание арамидных волокон снижается во всех ламинированных композитах. Как видно на рис. 13.5, гибрид кенафа может поддерживать более высокие значения максимальной прочности на разрыв и модуля упругости по сравнению с другими композитами.

Рисунок 13.5. Кривые растяжения кенафа, арамидных композитов и их гибридов.

Обнаружено внезапное падение растягивающего напряжения в точке разрушения для h2 и h3. Можно указать, что эти гибриды более пластичны по сравнению с композитами кенаф. Аналогичная тенденция наблюдается в модуле упругости при растяжении, который рассчитывается по линейному участку графика напряжение – деформация. Модуль упругости определяет способность образцов сопротивляться деформации. При гибридизации кенафа с арамидом кривая напряжения-деформации изменяется от катастрофического отказа до более продолжительной нелинейной.Эти результаты ясно демонстрируют, что гибридизация эластичных целлюлозных волокон кенафа с арамидными волокнами оказывает положительное влияние на удлинение при растяжении. Это может быть связано с высокой деформацией, приводящей к разрушению композитов из ПВБ волокна кенаф. Точно так же прочность композитов кенаф может быть увеличена путем гибридизации арамида с композитами кенаф. В результате его можно сочетать с высокой жесткостью арамида и хорошей прочностью и удлинением при разрыве волокон кенафа.

Кривая зависимости напряжения от деформации Kf является нелинейной с небольшим линейным участком в конце испытания после пикового напряжения и небольшим участком удлиненной кривой до того, как он окончательно сломается.Деформация при растяжении при разрыве показывает, что разрыв композита кенаф составляет 2,8% деформации, в то время как у гибридов кенаф — 6,7% и 6,5% соответственно. Значения штамма для гибрида кенаф увеличивались с увеличением содержания кенафа у гибридов h2 и h3. Увеличивая содержание волокон кенафа, можно заметить, что разрушение происходит при гораздо более низкой скорости деформации. В результате произошел преждевременный выход из строя из-за повышенных напряжений сдвига между слоями кенафа, что привело к расслоению. Как утверждают Ким и др.(2012), большинство натуральных волокнисто-полимерных материалов, как правило, зависят от скорости деформации. Несколько исследований пришли к выводу, что существует практическое максимальное содержание натурального волокна, при превышении которого характеристики композита ухудшаются и / или пористость сильно возрастает. Основываясь на достигнутом результате, все композиты испытали вязкое разрушение с нелинейным поведением вплоть до разрушения, сопровождаемого резким снижением напряжения после достижения пикового значения. Все испытанные образцы композитов показали отграничение краев или длительное расслоение до разрушения.

Аналогичное объяснение было дано Багери и др. (2014), которые указали, что гибридный эффект возникает из-за неспособности реализовать полную потенциальную прочность волокон в гибридах. Результаты показали, что композит кенаф показал самую низкую прочность на разрыв и модуль упругости при разрыве; 23,75 и 843,47 МПа соответственно, как показано на рис. 13.6. Низкие свойства при растяжении пленки ПВБ повлияли на поведение композита Kf при растяжении. Это может быть связано с наличием пустот, поскольку и предел прочности, и модуль упругости уменьшаются с увеличением содержания пустот.

Рисунок 13.6. Прочность на растяжение всех слоистых композитов.

Плотность и измерение плотности :: Anton Paar Wiki

Современные цифровые плотномеры основаны на принципе колеблющейся U-образной трубки. Трубка, обычно U-образная стеклянная трубка, возбуждается и начинает колебаться с определенной частотой в зависимости от залитого образца. Путем определения соответствующей частоты можно рассчитать плотность образца.

С 1967 года, когда был выпущен первый в мире цифровой плотномер, по 2018 год, все настольные плотномеры работали в соответствии с «методом принудительных колебаний» по принципу U-образной трубки.Однако сейчас эта технология достигла своих пределов. Усовершенствованный метод использования принципа U-образной трубки — метод импульсного возбуждения — доступен с 2018 года. Для получения дополнительной информации см. Здесь.

Цифровые плотномеры

, основанные на принципе колеблющейся U-образной трубки, являются очень эффективными приборами, которые позволяют быстро и точно измерять плотность жидкости в широком диапазоне температуры и давления. Они измеряют истинную плотность (плотность в вакууме), поэтому нет влияния плавучести воздуха или силы тяжести.

В отличие от традиционных статических методов (таких как ареометры, пикнометры или гидростатическое взвешивание) требуется только небольшое количество образца, прибл. От 1 мл до 2 мл. Цифровые плотномеры просты в эксплуатации и не предъявляют особых требований к условиям окружающей среды или контролю температуры. ^{[17] [21]}

Современные высокоточные плотномеры дополнительно обеспечивают коррекцию вязкости, даже определение вязкости и эталонный генератор для получения точных результатов в большом диапазоне плотностей, температур и вязкостей.

Колебание ячейки вызвано механическим или электронным способом. Константы прибора (которые используются для настройки плотномера) используются для расчета плотности образца на основе его частоты колебаний или периода колебаний.

Подробное сравнение различных качающихся U-образных трубок см. Здесь.

Если вы в настоящее время проводите измерения плотности с помощью ареометра или пикнометра, вы можете проверить здесь, сколько денег и времени вы бы сэкономили, используя цифровой плотномер или цифровой ареометр.Окупаемость инвестиций зависит от количества образцов, которые вы измеряете в день.

Значение плотности порошков: насыпная плотность по сравнению с Истинная плотность частиц

Какая плотность материала?

Фото Каролины Грабовской из Pexels

Прежде чем мы начнем конкретно говорить об измерении плотности порошков, давайте взглянем на концепцию измерения плотности в целом.

Что означает «плотность»?

Согласно Британской энциклопедии, плотность определяется как масса единицы объема материальной субстанции.Формула плотности вещества: d = м / V , где d — плотность материала, м — масса, а V — объем, который он занимает.

Измерение плотности обычно выражается в граммах на кубический сантиметр (г / см3) или (г / см3) или в граммах на миллилитр (г / мл). Однако иногда это выражается в килограммах на кубический метр (кг / м3) или килограммах на литр (кг / л).

Плотность зависит от температуры и давления, которые необходимо указать, если значение плотности должно быть известно с высокой точностью.Наличие примесей в том же объеме, таких как соленость воды, также влияет на плотность.

Как мы измеряем плотность?

Поскольку плотность является производным свойством, которое определяется на основе отношения двух других атрибутов материала, веса и объема, она обычно не измеряется напрямую. Он рассчитывается или выводится. Он полагается на то, что у нас есть надежные, точные и точные измерения веса материала и соответствующего объема.

Задача проведения этих измерений и вычислений кажется достаточно простой.Нам просто нужна точная шкала и хороший способ измерения объема. В чем подвох?

Проблемы измерения плотности:

Фото Лины Кивака из Pexels

Загвоздка заключается в том, что для многих материалов очень сложно, если не в настоящее время невозможно, измерить вес и объем с достаточной точностью, чтобы мы могли разделить два измерения и рассчитать плотность с достаточной точностью и надежностью, необходимой для проект.

Кроме того, при измерении плотности мы делаем несколько важных допущений.

Предположения:

1. Мы предполагаем, что материал однороден во всем, все его части имеют одинаковую плотность. Например, мы предполагаем, что на поверхности или внутри материала нет воздушных карманов или абсорбированной влаги. Очень немногие материалы в мире являются настолько чистыми, последовательными и однородными во всем.
2. Мы предполагаем, что материал, состоящий из частей или компонентов, имеет идеальную упаковку, при этом компоненты идеально подходят друг к другу.Это определенно неверно для порошков и любой ситуации, когда одновременно измеряется более одной части.
3. Мы предполагаем, что нет изменчивости от частицы к частице. Это может означать, что каждая крупинка соли или каждая крупинка перца в нашем образце идентичны по плотности всем остальным.

Эти предположения оправданы в большинстве случаев и могут быть приемлемыми, когда требуется только приблизительная оценка плотности. Знание этих предположений также помогает нам понять ограничения точности и точности измерения плотности.

В чем разница между точностью и точностью?

Фото Национального института рака на Unsplash

Точность плотности:

Точность указывает на надежность и согласованность измерений. Это повторяемый и воспроизводимый ? Если бы два разных человека измеряли его или использовали два разных станка, насколько разными были бы измерения? Что, если один и тот же человек измеряет один и тот же образец с помощью одного и того же устройства несколько раз, насколько разными будут результаты измерений? Насколько репрезентативен образец? Изменится ли измерение, если будет взят другой образец?

Чем ближе результаты измерений друг к другу, тем выше точность измерения.

Точность плотности:

В то время как точность сравнивает, насколько близки измерения друг к другу или насколько велико различие между измерениями, точность относится к тому, насколько измерения близки к «истинному» значению. Например, если мы измеряем плотность, равную 1,00 г / куб.см, и наши измерения надежны и воспроизводимы, они будут точными. Но если фактическая плотность материала составляет 1,20 г / куб.см, наши измерения не очень точны.

Чем ближе результат измерения к фактическому значению, тем выше точность измерения.

Как узнать действительную стоимость? Часто мы этого не делаем. Наши измерения объема и массы зависят от уровней калибровки нашего оборудования. Калибровка оборудования зависит от используемых калибровочных стандартов и процедур. Сами калибровочные стандарты несут определенную степень неопределенности. Невозможно провести бесконечно точное и точное измерение. Всегда есть какая-то ошибка.

Какая точность измерения плотности требуется?

Фотография Жана Папийона на Unsplash

Нужно ли нам знать плотность материала примерно и приблизительно, просто чтобы получить относительное представление о том, насколько он тяжел, или нам нужно знать плотность точно с точностью до многих значащих цифр, потому что это критическая переменная в дизайн нашего медицинского устройства, системы доставки лекарств, эксперимент по моделированию частиц, изоляция биологической клетки или эксперимент по визуализации потока жидкости?

Гранулы маркера плотности

являются примером микросфер высокой плотности, которые используются в основном в биотехнологической промышленности для создания градиентов плотности, необходимых для разделения и очистки биологических клеток, вирусов и субклеточных частиц.Обычно используется набор из нескольких шариков маркера плотности, охватывающих диапазон плотностей. Градиент калибруется с помощью шариков, которые плавают на разной высоте внутри колонны. Когда тестовый образец добавляется в колонку, он падает до точки нейтральной плавучести, а плотность определяется по калибровочной таблице.

Эти прецизионные частицы плотности с цветовой кодировкой имеют решающее значение для разделения биологических клеток на основе их плотности, что делает критически важным как точность, так и точность определения плотности каждой частицы.

Исследователи и инженеры постоянно подталкивают производителей химикатов к разработке материалов и методов измерения, которые обеспечивают все более высокую точность определения плотности материалов. Они также подталкивают нас к производству материалов с высокой точностью, точностью и настраиваемой плотностью.

Какая плотность порошков?

Здесь все начинает усложняться. Нужно ответить на множество вопросов. Необходимо сделать множество предположений о плотности порошка.

Фотография Евы Элайджас из Pexels

Порошок состоит по крайней мере из тысяч, а часто и из миллионов, миллиардов, триллионов и т. Д. Мелких частиц, которые могут сильно различаться по своей форме, размеру и даже плотности.

Задачи точного измерения плотности порошков начинаются с взятия статистически значимой и репрезентативной пробы порошка. Отбор образцов порошков — это и искусство, и наука, по следующим причинам:

• • Агрегация: В зависимости от размера и свойств поверхности порошкообразные частицы склонны агрегироваться и слипаться независимо от того, сплавляются ли они физически или просто удерживаются вместе ковалентными силами.
  • Сегрегация: Более мелкие частицы любят отделяться от более крупных частиц, падая через промежутки между более крупными частицами и, в конечном итоге, собираясь на дне контейнера, создавая порошкообразную смесь, которая не является однородной во всем.
  • Электростатические заряды: Маленькие частицы часто проявляют сильные электростатические и электрофоретические силы, которые заставляют их прилипать к поверхностям, которые используются для их переноса, что еще больше усложняет решение проблем агрегации и сегрегации, описанных выше.
  • Однородность: Зная, что образец мелких частиц статистически маловероятен, чтобы быть идеально однородным, как мы можем гарантировать, что все различные частицы точно представлены в нашем образце?

Поскольку ответы на приведенные выше вопросы и предположения не всегда ясны, а соответствующие переменные часто невозможно полностью контролировать, существует множество способов определения плотности порошков, в зависимости от того, на какой конкретный вопрос мы пытаемся ответить и какую информацию мы ищем.

Насыпная плотность порошков:

Насыпная плотность определяется просто как измерение массы материала на единицу объема. Однако, когда мы говорим о плотности порошков, насыпная плотность больше не является значимым значением, потому что даже если масса материала постоянна, объем , который занимает порошок, может широко варьироваться в зависимости от того, как порошок упакованы. Более того, насыпная плотность порошков может изменяться со временем, когда порошок оседает в контейнере, и объем, который он занимает, становится меньше, в то время как вес остается прежним.

Форма частиц также влияет на объемную плотность, поскольку форма влияет на способность отдельных частиц объединяться с другими частицами … Некоторые материалы гигроскопичны и вытягивают воду из атмосферы, что может резко изменить объемную плотность материала. Поверхностное трение или статический заряд материала также могут повлиять — хотя и незначительно — на его объемную плотность.

Насыпную плотность можно рассматривать как среднюю плотность определенного объема порошка в определенной среде при определенных условиях.

Как измеряется насыпная плотность порошков:

Объемная плотность после вибрации (или утряски) относится к объемной плотности порошка, когда контейнер, который заполнен порошком, постоянно вибрирует или постукивается. По мере того как они вибрируют, отдельные частицы перемещаются ближе друг к другу и достигают наивысшей эффективности упаковки, тем самым делая порошковый материал более плотным, что приводит к наивысшей насыпной плотности для этого конкретного порошка и обеспечивает воспроизводимые измерения.Насыпная плотность после вибрации или утряски — хорошее приближение для плотности порошка после того, как он находится и сжимается в контейнере в течение значительного периода времени.

Насыпная плотность — это объемная плотность порошка, измеренная при заливке порошкообразного материала в контейнер. Процесс разливки помогает разрушить или уменьшить проблемы, связанные с агрегацией, сегрегацией и электростатическими зарядами, а также помогает сделать порошок более однородным. Поскольку в процессе заливки образуется очень рыхлая структура частиц, при измерении объемная плотность будет меньше.Насыпная насыпная плотность является хорошим приближением плотности порошка, поскольку он движется через производственный процесс и транспортируется или перемещается между контейнерами или процессами.

Насыпная плотность с аэрированным воздухом — это объемная плотность порошка, измеренная при аэрировании порошка. Измерение объемной плотности с аэрированным воздухом может быть важно по разным причинам, в том числе для правильного определения размеров или анализа систем пневмотранспорта.

Крайне важно знать, как была измерена насыпная плотность порошка, чтобы использовать информацию осознанно и осознанно.

Истинная плотность частиц порошков:

Истинная плотность частиц (также известная как скелетная плотность ) представляет собой внутреннее физическое свойство материала и, в отличие от насыпной плотности порошков, составляет , а не , зависит от размера, формы или степени уплотнения и упаковки порошка. . Истинная плотность частиц не изменится со временем.

Предполагая, что материал имеет высокую степень однородности, химический состав материала может быть надежно определен, если известна его истинная плотность частиц.Например, если мы смотрим на стеклянные микросферы, но не знаем, какой это тип стекла, мы можем точно оценить состав, измерив истинную плотность частиц. Плотность стекла SodaLime составляет 2,5 г / куб. См, боросиликатного стекла — 2,2 г / куб. См, стекла из титаната бария — более 4 г / куб. Если мы знаем, что плотность поли (метилметакрилата) или ПММА составляет примерно 1,2 г / куб.см, но размеры наших акриловых частиц немного выше или ниже, это хороший признак того, что мы, вероятно, имеем дело с сополимером.

Знание истинной плотности частиц позволяет ученым и инженерам точно моделировать и прогнозировать характеристики этих частиц в конкретных приложениях.

Как измеряется истинная плотность частиц порошков:

Традиционные методы измерения объема по принципу Архимеда вытеснения жидкости представляют проблему при измерении истинной плотности частиц порошков. Причина этой трудности заключается в том, что нам нужно точное измерение истинного объема, занимаемого самими частицами, исключая любые потенциальные внутренние пустоты, трещины или поры на поверхности частиц. Жидкости могут проникать в эти неоднородности сплошности частицы и вызывать серьезные ошибки при измерении кажущегося объема, когда плотность оценивается по вытеснению жидкости.

Для точного и точного измерения истинной плотности частиц важно, чтобы все воздушные карманы, пустоты и / или поры в упаковке порошка или на поверхности самого материала учитывались и вычитались при измерении объема частиц ( истинный объем) .

Все сферы от Cosphere LLC имеют измерения плотности по стандартам NIST

Пикнометры — это инструменты, разработанные для измерения истинного объема твердых материалов с использованием принципа Архимеда вытеснения жидкости (газа) и техники расширения газа. Предпочтительным газом для измерения истинной плотности частиц порошков является газообразный гелий. Из-за своего небольшого размера газообразный гелий проникает через поверхность на глубину примерно до одного ангстрема, что позволяет измерять объемы порошка с большой точностью.Измерение плотности путем вытеснения гелия часто может выявить наличие примесей и закупоренных пор, которые невозможно определить никаким другим методом.

Все микросферы косферы характеризуются истинной плотностью частиц благодаря использованию нашей собственной методики измерения плотности , которая основана на калиброванной по NIST пикнометрии газа и высокоточной шкале, откалиброванной по NIST. Чтобы наилучшим образом удовлетворить потребности наших клиентов в исследованиях, каждый продукт Cospifer, предлагаемый для продажи, указан на веб-сайте Cospifer с истинной плотностью частиц как часть описания продукта.

Что такое плотность микросфер?

Микросферы

обычно определяются как сферические частицы диаметром от 1 микрона до 1000 микрон (мм). Некоторые микросферы являются естественным побочным продуктом химического процесса. Например, в процессе сжигания угля на тепловых электростанциях образуется летучая зола, содержащая керамические микросферы, в основном состоящие из глинозема и кремнезема. Тем не менее, большинство микросфер на мировом рынке производятся в промышленных масштабах в виде прецизионных материалов с особыми свойствами и функциональностью.Плотность микросфер — одно из важнейших свойств микросфер, которое контролируется в процессе производства.

Поскольку микросферы чаще всего используются как компонент системы и смешиваются с другими материалами, истинная плотность частиц (в отличие от насыпной плотности) имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы микросферы могли диспергироваться и суспендироваться в содержащей среде. , плавать на дно или опускаться на поверхность.

Статьи на этом сайте написаны экспертами по микросферам из Cospether LLC — ведущего мирового поставщика и производителя прецизионных сферических частиц.

При представлении информации мы обращаемся к широкому спектру источников, уделяя большое внимание любым рецензируемым техническим статьям, которые публикуются в авторитетных журналах. Наша цель — представить вам всесторонний и информированный взгляд на рынок микросфер, технологий и приложений.

Как всегда, сотрудники нашей службы технической поддержки доступны по электронной почте , чтобы ответить на любые вопросы, предложить рекомендации по продуктам, предоставить расценки или ответить на запросы производства по индивидуальному заказу.У нас на складе более 2000 микросфер. Если вы не можете найти то, что ищете на веб-сайте Cospether, сообщите нам об этом! Скорее всего, мы сможем порекомендовать альтернативный продукт, соответствующий вашим потребностям.

Источники:

Плотность воды | Глава 3: Плотность

Тебе это нравится? Не это нравится? Пожалуйста, уделите время и поделитесь с нами своим мнением. Спасибо!

Урок 3.3

Ключевые понятия

• Жидкости, как и твердые тела, имеют свою характеристическую плотность.
• Объем жидкости можно измерить непосредственно с помощью градуированного цилиндра.
• Молекулы разных жидкостей имеют разный размер и массу.
• Масса и размер молекул в жидкости, а также то, насколько плотно они упакованы вместе, определяют плотность жидкости.
• Так же, как и твердое тело, плотность жидкости равна массе жидкости, деленной на ее объем; D = м / об.
• Плотность воды 1 грамм на кубический сантиметр.
• Плотность вещества одинакова независимо от размера образца.

Сводка

Учащиеся измеряют объем и массу воды, чтобы определить ее плотность. Затем они измеряют массу разных объемов воды и обнаруживают, что плотность всегда одинакова. Учащиеся составляют график зависимости между объемом и массой воды.

Объектив

Студенты смогут измерять объем и массу воды и рассчитывать ее плотность.Студенты смогут объяснить, что, поскольку любой объем воды всегда имеет одинаковую плотность при данной температуре, эта плотность является характерным свойством воды.

Оценка

Загрузите лист активности учащегося и раздайте по одному каждому учащемуся, если это указано в упражнении. Лист упражнений будет служить компонентом «Оценить» каждого плана урока 5-E.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ваши ученики носите правильно подогнанные очки.

материалов для каждой группы

• Градуированный цилиндр, 100 мл
• Вода
• Весы с граммовой суммой (более 100 г)
• Капельница

Материалы для демонстрации

• Вода
• Два одинаковых ведра или большие емкости

1. Проведите демонстрацию, чтобы представить идею о плотности воды.

   Материалы

   • Вода
   • Два одинаковых ведра или большие емкости

   Подготовка учителей

   Наполните одно ведро наполовину и добавьте примерно 1 стакан воды в другое.

   Процедура

   • Выберите ученика, который поднимет оба ведра с водой.
   • Спросите студента-добровольца, какое ведро имеет большую массу.

   Ожидаемые результаты

   Ведро с большим количеством воды имеет большую массу.

   Спросите студентов:

   В уроках 3.1 — Что такое плотность? и 3.2 — Метод вытеснения воды, плотность твердых тел определяется путем измерения их массы и объема. Как вы думаете, жидкость, такая как вода, может иметь плотность?

   Студенты должны понимать, что вода имеет объем и массу. Поскольку D = m / v, вода также должна иметь плотность.

   Как вы думаете, вы можете определить плотность жидкости, такой как вода?

   Ожидается, что на данный момент студенты не смогут полностью ответить на этот вопрос.Это сделано как начало расследования. Но студенты могут понять, что сначала им нужно каким-то образом определить массу и объем воды.

   Может ли и небольшое, и большое количество воды, которое поднял ваш одноклассник, иметь одинаковую плотность?

   Студенты могут указать, что ведро с большим количеством воды имеет большую массу, но больший объем. Ковш с меньшей массой имеет меньший объем. Таким образом, возможно, что разное количество воды может иметь одинаковую плотность.

   Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.

   Студенты будут записывать свои наблюдения и отвечать на вопросы о деятельности в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполнены либо в классе, либо в группах, либо индивидуально, в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

2. Обсудите со студентами, как определить объем и массу воды.

   Скажите студентам, что они попытаются найти плотность воды.

   Спросите студентов:

   Какие две вещи вам нужно знать, чтобы определить плотность воды?

   Студенты должны понимать, что им нужен как объем, так и масса пробы воды, чтобы определить ее плотность.

   Как можно измерить объем воды?

   Предложите учащимся использовать мерный цилиндр для измерения объема в миллилитрах.Напомните учащимся, что каждый миллилитр равен 1 см ³ .

   Как можно измерить массу воды?

   Предложите учащимся использовать весы для измерения массы в граммах. Скажите студентам, что они могут набрать массу, взвесив воду. Однако, поскольку вода — это жидкость, она должна быть в каком-то контейнере. Таким образом, чтобы взвесить воду, они должны взвесить и контейнер. Объясните учащимся, что им придется вычесть массу пустого градуированного цилиндра из массы цилиндра и воды, чтобы получить массу только воды.

3. Попросите учащихся найти массу различных объемов воды, чтобы показать, что плотность воды не зависит от размера образца.

   Вопрос для расследования

   Имеет ли разное количество воды одинаковую плотность?

   Материалы для каждой группы

   • Градуированный цилиндр, 100 мл
   • Вода
   • Весы с граммовой суммой (более 100 г)
   • Капельница

   Процедура

   1. Найдите массу пустого градуированного цилиндра.Запишите массу в граммах в таблице на листе активности.

   2. Налейте 100 мл воды в мерный цилиндр. Постарайтесь быть максимально точными, убедившись, что мениск находится прямо на отметке 100 мл. Используйте пипетку, чтобы добавить или удалить небольшое количество воды.

   3. Взвесьте мерный цилиндр с водой. Запишите массу в граммах.
   4. Найдите массу только воды, вычтя массу пустого градуированного цилиндра.Запишите в таблицу массу 100 мл воды.
   5. Используйте массу и объем воды для расчета плотности. Запишите в таблицу плотность в г / см ³ .
   6. Слейте воду, пока в мерный цилиндр не будет 50 мл воды. Если вы случайно вылили слишком много воды, добавляйте воду, пока не дойдете до 50 мл.

   7. Найдите массу 50 мл воды. Запишите массу в листе деятельности. Рассчитайте и запишите плотность.

   8. Затем слейте воду, пока в мерный цилиндр не останется 25 мл воды. Найдите массу 25 мл воды и запишите ее в таблицу. Рассчитайте и запишите плотность.

   Таблица 1. Определение плотности различных объемов воды.

   Объем воды	100 миллилитров	50 миллилитров	25 миллилитров
   Масса мерного цилиндра + вода (г)
   Масса пустого градуированного цилиндра (г)
   Масса воды (г)
   Плотность воды (г / см 3 )

   Ожидаемые результаты

   Плотность воды должна быть близка к 1 г / см ³ .Это верно для 100, 50 или 25 мл.

   Спросите студентов:

   Посмотрите на свои значения плотности на диаграмме. Кажется ли, что плотность разных объемов воды примерно одинакова?

   Помогите учащимся увидеть, что большинство различных значений плотности составляют около 1 г / см. ³ . Они могут задаться вопросом, почему не все их значения равны 1 г / см ³ . Одной из причин могут быть неточности в измерениях. Другая причина в том, что плотность воды меняется в зависимости от температуры.Вода наиболее плотная при 4 ° C и при этой температуре имеет плотность 1 г / см ³ . При комнатной температуре около 20–25 ° C плотность составляет около 0,99 г / см ³ .

   Какова плотность воды в г / см3?

   Ответы учащихся могут быть разными, но в большинстве случаев их значения должны составлять около 1 г / см. ³ .

4. Попросите учащихся построить график своих результатов.

   Помогите учащимся составить график данных из их листа деятельности.Ось X должна быть объемом, а ось Y — массой.

   Когда ученики наносят на график свои данные, должна быть прямая линия, показывающая, что по мере увеличения объема масса увеличивается на ту же величину.

5. Обсудите наблюдения, данные и графики учащихся.

   Спросите студентов:

   Используйте свой график, чтобы найти массу 40 мл воды. Какова плотность этого объема воды?

   Масса 40 мл воды 40 грамм.Поскольку D = m / v и mL = см ³ , плотность воды составляет 1 г / см ³ .

   Выберите объем от 1 до 100 мл. Используйте свой график, чтобы найти массу. Какова плотность этого объема воды?

   Независимо от того, весят ли ученики 100, 50, 25 мл или любое другое количество, плотность воды всегда будет 1 г / см. ³ .

   Скажите студентам, что плотность — это характерное свойство вещества. Это означает, что плотность вещества одинакова независимо от размера образца.

   Спросите студентов:

   Является ли плотность характерным свойством воды? Откуда вы знаете?

   Плотность — это характерное свойство воды, потому что плотность любого образца воды (при той же температуре) всегда одинакова. Плотность 1 г / см ³ .

6. Объясните, почему плотность воды любого размера всегда одинакова.

   Спроецировать изображение Плотность воды.

   Все молекулы воды имеют одинаковую массу и размер. Молекулы воды также расположены довольно близко друг к другу. Они упакованы одинаково во всей пробе воды. Итак, если объем воды имеет определенную массу, удвоенный объем будет иметь удвоенную массу, троекратный объем будет иметь трехкратную массу и т. Д. Независимо от того, какой размер пробы воды вы измеряете, соотношение между массой и объемом всегда будет таким же. Поскольку D = m / v, плотность одинакова для любого количества воды.

   Спроектируйте анимацию «Жидкая вода».

   Молекулы воды всегда в движении. Но в среднем они все упакованы одинаково. Следовательно, соотношение между массой и объемом одинаково, а плотность одинакова. Это верно независимо от размера выборки или от того, где вы ее выбрали.

7. Попросите учащихся подумать, совпадает ли плотность большого куска твердого вещества с плотностью меньшего куска.

   Дайте учащимся время для расчета плотности каждого из трех образцов, нарисованных на их листе с заданиями, и ответьте на соответствующие вопросы.

   Спросите студентов:

   Плотность жидкости одинакова независимо от размера образца. Может ли это быть верно и для твердых тел? Чтобы выяснить это, вычислите плотность каждого из трех образцов.

   Да. Плотность твердого вещества одинакова независимо от размера образца.

   Образец А имеет массу 200 г. Какова плотность образца А?

   • D = м / об
   • D = 200 г / 100 см ³
   • D = 2 г / см ³

   Если разрезать образец A пополам и посмотреть только на одну половину, получится образец B. Какова плотность образца B?

   Если учащиеся не знают, какова масса, скажите им, что это половина массы образца А.Поскольку образец A был 200 г, образец B составляет половину объема и, следовательно, половину массы (100 г).

   • D = м / об
   • D = 100 г / 50 см ³
   • D = 2 г / см ³

   Если разрезать образец B пополам, вы получите образец C. Какова плотность образца C?

   • D = м / об
   • D = 50 г / 25 см ³
   • D = 2 г / см ³

2: Плотность жидкостей и твердых тел (эксперимент)

Цели

• Для определения плотности чистой воды;
• Для определения плотности алюминия (применяя метод вытеснения воды) и использования этого значения для определения толщины куска алюминиевой фольги;
• Для измерения массы и объема (посредством измеренных размеров) нескольких цилиндров из неизвестного материала и определения плотности этого материала посредством графического анализа собранных данных.

Плотность

Плотность определяется как масса единицы объема вещества, и это физическое свойство вещества. Физические свойства можно измерить без изменения химической идентичности вещества. Поскольку чистые вещества имеют уникальные значения плотности, измерение плотности вещества может помочь идентифицировать это вещество. Плотность определяется делением массы вещества на его объем:

\ [Density = \ frac {Mass} {Volume} \]

Единицы плотности обычно выражаются в г / см. ³ для твердых тел, г ​​/ мл для жидкостей и г / л для газов.

Плотность — тоже интенсивное свойство материи. Это означает, что значение плотности не зависит от количества присутствующей материи. Например, плотность золотой монеты и золотой статуи одинакова, хотя золотая статуя состоит из большего количества золота. Это контрастирует с экстенсивными свойствами, такими как объем (количество пространства, занимаемого материей), которые зависят от количества присутствующей материи. Чем больше вещества, тем больше объем.

В части A этой лаборатории будут измеряться масса и объем дистиллированной воды, чтобы определить ее плотность.Для повышения точности и точности измерения будут проводиться на трех образцах воды. Масса будет измеряться с помощью электронных весов в граммах (г), а объем будет измеряться непосредственно с помощью градуированного цилиндра в миллилитрах (мл). Напомним, что при измерении объемов жидкости градуированная шкала должна считываться от самой нижней точки криволинейной поверхности жидкости (мениска).

Затем точность экспериментально определенной плотности воды будет оцениваться путем сравнения с истинной принятой плотностью воды.

Измерение объема жидкости

Маркировка на градуированном цилиндре — каждые 1 миллилитр. При чтении от самой нижней точки мениска правильное значение составляет 30,0 мл. Первые 2 цифры 30 .0 известны точно. Последняя цифра 30. 0 неточно. Несмотря на то, что это ноль, это важно и должно быть записано.

В части B этой лаборатории плотность алюминия будет определяться с использованием алюминиевых гранул.Опять же, масса будет измеряться с помощью электронных весов в граммах (г). Однако, поскольку гранулы имеют неправильную форму, их объем необходимо измерять косвенно, используя метод вытеснения воды (также известный как принцип Архимеда). Это связано с тем, что объем воды, который вытесняется твердым телом при погружении в воду, равен объему самого твердого вещества. Точность этой экспериментально определенной плотности также будет оцениваться путем сравнения с истинной принятой плотностью алюминия.

Измерение объема твердого тела неправильной формы

\ [\ text {Объем вытесненной воды} = \ text {Окончательный объем} — \ text {Начальный объем} \]

\ [\ text {Объем вытесненной воды} = \ text {Объем твердого тела} \]

Обратите внимание, что 1 мл = 1 см ³ .

Затем плотность алюминия будет использоваться в прикладной задаче для определения толщины куска алюминиевой фольги. Используемый кусок фольги можно рассматривать как очень плоскую прямоугольную коробку, в которой

\ [\ text {Объем пленки} = длина \ умноженная на ширину \ умноженную на толщину \]

Объем фольги может быть получен из измеренной массы фольги и плотности алюминия.Таким образом, если измерить длину и ширину прямоугольника из фольги, то можно рассчитать толщину фольги.

Плотность и графический анализ

Лабораторные исследования включают сбор данных, часто числовых. Одним из распространенных методов интерпретации данных является графический анализ.

В части C этой лаборатории будут измерены масса и объем нескольких цилиндрических частей неизвестного твердого материала. И снова масса будет получена с помощью электронных весов в граммах (г).Но поскольку цилиндры представляют собой твердые тела правильной формы, их объемы (в кубических сантиметрах, см ³ ) будут рассчитаны на основе их измеренных размеров с использованием соответствующей формулы объема:

\ [\ text {Объем цилиндра} = 2 \ pi r h \]

\ [h = \ text {высота или длина цилиндра} \]

\ [r = \ text {радиус цилиндра} = \ frac {1} {2} \ text {диаметр} \]

Затем каждая пара значений массы и объема будет нанесена на миллиметровую бумагу в виде диаграммы разброса с массой, нанесенной на ось y, и объемом, нанесенным на оси x .Поскольку нанесенные на график данные образуют (или, по крайней мере, приблизительно) прямую линию, к графику можно добавить «наиболее подходящую линию». Лучшая линия — это одна линия, которая максимально приближается ко всем нанесенным точкам.

Уравнение этой наиболее подходящей прямой будет иметь знакомую форму \ (y = mx + b \), где \ (m \) представляет наклон линии, а \ (b \) представляет собой точку пересечения y . . Это показано на рисунке ниже.

Уравнение наилучшего соответствия линии:

\ [y = mx + b \]

где

• \ (b \) — точка пересечения по оси Y, а
• \ (м \) — уклон

Пересечение y и (\ (b \)) — это точка на оси Y, в которой линия пересекает ось.В этом эксперименте значение \ (b \) должно быть равно нулю. Это связано с тем, что при отсутствии массы объем также должен быть равен нулю. Однако обратите внимание, что ваша наиболее подходящая линия может не проходить точно через начало координат (0,0) из-за экспериментальной ошибки, но она должна быть довольно близкой.

Наклон линии (\ (m \)) — это изменение значений по оси Y, деленное на изменение значений по оси X (или превышение пробега):

\ [\ begin {align *} m & = \ frac {\ Delta y} {\ Delta x} \\ [5pt] & = \ frac {y_1 — y_2} {x_1 − x_2} \ end {align *} \ ]

Поскольку \ (\ Delta y \) на самом деле является изменением массы (\ (\ Delta \ text {mass} \)), а \ (\ Delta x \) на самом деле является изменением объема (\ (\ Delta \ text {volume} \)), это означает, что наклон наиболее подходящей линии дает плотность неизвестного материала:

\ [m = \ frac {\ Delta y} {\ Delta x} = \ frac {\ Delta \ text {mass}} {\ Delta \ text {volume}} = \ text {density} \]

Как только плотность будет определена таким образом, она будет использоваться для идентификации неизвестного проанализированного материала.

Процедура

Материалы и оборудование

Градуированный цилиндр 100 мл, метрическая линейка *, алюминиевые гранулы, небольшой стакан, алюминиевая фольга, термометр, электронные весы, дистиллированная вода, пробирка с твердыми цилиндрами неизвестного происхождения * и миллиметровая бумага.

Безопасность

Будьте особенно осторожны при добавлении алюминия в мерный цилиндр, так как стекло может разбиться. Наклоните градуированный цилиндр и позвольте гранулам осторожно соскользнуть на дно.

Часть A: Плотность воды

1. С помощью электронных весов определите массу своего градуированного цилиндра объемом 100 мл. Перед взвешиванием убедитесь, что он сухой.
2. Добавьте 20-25 мл дистиллированной воды в мерный цилиндр. Точно отмерьте этот объем воды. Затем измерьте общую массу с помощью электронных весов.
3. Добавьте еще 20-25 мл дистиллированной воды в мерный цилиндр. Опять же, точно измерьте этот объем воды, а затем измерьте общую массу с помощью электронных весов.
4. Повторите шаг 3, чтобы получить третий набор измерений массы и объема.
5. С помощью термометра запишите температуру воды в мерном цилиндре.
6. Анализ: Вычтите массу пустого цилиндра из каждого комбинированного измерения массы, чтобы получить три измерения массы воды. Используйте три набора измерений массы и объема, чтобы вычислить три значения плотности воды. Затем возьмите среднее из этих трех значений плотности.Наконец, найдите истинную плотность воды при используемой температуре и оцените точность вашего среднего значения плотности, вычислив процентную ошибку.

Часть B: Плотность алюминия и толщина фольги

Плотность алюминия

1. Используя электронные весы, определите массу чистой сухой небольшой мензурки.
2. Возьмите у своего инструктора образец алюминия. Перенесите все гранулы в стакан и измерьте массу стакана и гранул.
3. Налейте 30–35 мл воды в мерный цилиндр емкостью 100 мл. Точно измерьте этот объем.
4. Осторожно добавьте все алюминиевые гранулы в воду, следя за тем, чтобы не потерять воду из-за брызг. Также убедитесь, что все гранулы полностью погружены в воду. Измерьте новый объем воды и гранул.
5. Когда закончите, возьмите и высушите алюминиевые гранулы и верните их своему инструктору.
6. Анализ: Используйте измеренные вами массу и объем (полученные путем вытеснения воды) алюминиевых гранул для расчета плотности алюминия.Затем найдите истинную плотность алюминия и оцените свою точность, вычислив процентную погрешность.

Толщина алюминиевой фольги

7. Теперь возьмите у своего инструктора кусок алюминиевой фольги прямоугольной формы. Используйте линейку, чтобы измерить длину и ширину куска фольги.
8. Измерьте массу фольги на электронных весах.
9. Когда закончите, верните фольгу своему инструктору и линейку на склад.
10. Анализ: Используйте эти измерения вместе с плотностью алюминия, чтобы рассчитать толщину фольги.

Часть C: Графический анализ данных массы и объема неизвестного твердого тела

1. Возьмите линейку на складе и возьмите у своего инструктора трубку, содержащую цилиндрические куски неизвестного твердого материала. Запишите идентификационный код неизвестного твердого тела в форму отчета.
2. Используя линейку, измерьте размеры (диаметр и высоту) каждого цилиндрического объекта.Сначала начните с самого маленького объекта и продолжайте в порядке увеличения размера объекта.
3. Измерьте массу каждого цилиндрического объекта с помощью электронных весов. Опять же, сначала начните с самого маленького объекта и продолжайте в порядке увеличения размера объекта.
4. Замените все предметы в трубке и верните трубку инструктору.
5. Анализ: Используйте измеренные размеры, чтобы вычислить объем каждого твердого объекта. Затем на миллиметровой бумаге изобразите зависимость массы (Y) от объема (X) каждого измеряемого объекта.Добавьте на этот график наиболее подходящую линию. Вычислите наклон этой линии, который представляет собой плотность неизвестного твердого тела. Затем используйте эту плотность, чтобы идентифицировать неизвестный проанализированный материал. Ваш неизвестный материал является одним из веществ, перечисленных в таблице ниже.

Вещество	Плотность (г / см 3 )
Поливинилхлорид (ПВХ)	1.35
Клен	0,77
Акрил	1,16
Политетрафторэтилен (тефлон)	2,20
Полипропилен	0.90
Алюминий	2,71
Полиуретан	1,23

Предлабораторное задание: плотность твердых тел и жидкостей

1. Обведите правильные ответы в следующем утверждении:

Плотность — это физическое / химическое свойство материи и интенсивное / экстенсивное свойство материи.

2. Какие устройства вы будете использовать для измерения массы и объема воды в Части A этой лаборатории?

3. В части B этой лабораторной работы вы выполните несколько измерений, чтобы определить плотность металла.

• Назовите этот металл:
• Опишите технику, которую вы будете использовать для измерения объема этого металла.

4. Рассмотрим табличные данные, собранные студентом для неизвестного образца металла. Используйте эти данные для расчета плотности металла (в г / см ³ ).Четко покажите свою работу.

Масса пустого стакана	44,656 г
Масса стакана и металлического образца	124 400 г
Начальный объем воды в цилиндре	12.7 мл
Конечный объем воды и образца металла	21,6 мл

5. В части C этой лабораторной работы вы будете измерять массу, высоту и диаметр четырех цилиндров, состоящих из неизвестного материала.

• Вычислите объем (в см ³ ) цилиндра с измеренной высотой 11.76 см и диаметром 7,22 см. Четко покажите свою работу.

• Каждая пара значений массы и объема (для каждого цилиндра) будет нанесена на диаграмму рассеяния с массой на оси y и объемом на оси x. Затем к нанесенным на график данным будет применена наиболее подходящая линия.
  • Как вы рассчитаете значение наклона этой наиболее подходящей линии?

• Как значение наклона поможет вам определить неизвестный материал, из которого сделаны цилиндры?

Лабораторный отчет: плотность жидкостей и твердых тел

Часть A: Плотность воды

Экспериментальные данные

	1-я добавка воды	2-я добавка воды	3-я добавка воды
Масса пустого баллона
Масса цилиндра + вода
Только масса воды
Объем воды
Плотность воды
Средняя плотность воды

Температура воды: ______________

Анализ данных

1. Найдите истинную плотность воды при зарегистрированной температуре: _____________

• Получите это значение от Юпитера.plymouth.edu/~jsdunca…ityOfWater-vs- Temp.pdf. Затем используйте это, чтобы вычислить процентную ошибку в вашей средней плотности воды. Показать свою работу.

Часть B: Плотность алюминия и толщина фольги

Экспериментальные данные

Таблица 1 — Плотность алюминия

Масса пустого стакана
Масса стакана и гранул алюминия
Масса алюминиевых окатышей
Начальный объем воды в цилиндре
Конечный объем воды и алюминиевых гранул
Объем алюминиевых окатышей

Таблица 2 — Толщина алюминиевой фольги

Масса алюминиевой фольги
Длина алюминиевой фольги
Ширина алюминиевой фольги

Анализ данных

1. Используйте измеренные вами массу и объем гранул (в таблице 1), чтобы рассчитать плотность алюминия в г / см ³ .Покажите свою работу и сообщите свой ответ с правильным количеством значащих цифр.

2. Узнайте истинную плотность алюминия на http://www.chemicool.com: _______________

• Используйте это, чтобы вычислить процент ошибки в экспериментально определенном значении плотности. Показать свою работу.

3. Используйте ваши измерения для алюминиевой фольги (в таблице 2) вместе с истинной плотностью алюминия , чтобы рассчитать толщину фольги в см.Покажите свою работу и сообщите свой ответ в научных обозначениях. Считайте фольгу очень плоской прямоугольной коробкой, где: \ (\ text {Объем фольги} = длина \ умноженная на ширину \ умноженную на толщину \)

Часть C: Графический анализ данных массы и объема неизвестного твердого тела

Экспериментальные данные

Идентификационный код неизвестного твердого тела:

	Малый цилиндр	Средний цилиндр	Большой цилиндр	EX Большой цилиндр
Масса
Длина
Диаметр
Расчетный объем

Покажите пример расчета объема с использованием ваших измеренных размеров для небольшого цилиндра ниже.

Анализ данных

1. На миллиметровой бумаге нанесите график зависимости массы (Y) от объема (X) для всех четырех измеренных цилиндров. Прикрепите свой график к этой форме отчета.

Инструкции для графических данных

• Используйте заточенный карандаш.
• Нарисуйте топоры линейкой.
• Выберите шкалы осей, которые используют весь лист миллиметровой бумаги.
• Пронумеруйте и промаркируйте свои оси.
• Используйте символы «X» для каждой точки на графике.
• Проведите через точки данных наиболее подходящую прямую линию с помощью линейки.
• Дайте вашему графику подходящее название.

2. Выберите две точки на наиболее подходящей линии, далеко друг от друга. Выбранные точки не могут быть ни одной из нанесенных вами точек данных. Обведите две точки , выбранные на вашем графике, и заполните таблицу ниже.

	X Значение	Y Значение
Пункт 1
Пункт 2

Теперь вычислите наклон (\ (m \)) наиболее подходящей линии, используя уравнение: \ (m = \ frac {y_2-y_1} {x_2-x_1} \).Покажите свою работу и сообщите результат с правильным количеством значащих цифр.

3. Значение наклона, полученное выше в # 2, дает плотность вашего неизвестного твердого тела в единицах г / см ³ . Используя это значение, определите ваше неизвестное твердое тело (см. Процедуру, Часть C, # 5).

• Неизвестный идентификационный код:
• Имя неизвестного:
• Истинная плотность:

4. Вам предоставляется другой цилиндр из того же материала.Если длина цилиндра составляет 1,83 фута, вычислите массу этого цилиндра в граммах. Используйте в этом расчете истинную плотность твердого тела и предположите, что диаметр цилиндра такой же, как у всех других цилиндров, которые вы измерили. Показать свою работу.

.

No related posts.