На что влияет пористость материала

Плотность и пористость. Влияние пористости на свойства строительных материалов.

1) Плотность бывает 4-х видов:

г) Относительная плотность – безразмерная величина, получаемая делением средней плотности данного материала на плотность воды. d = ρ_m / ρ _воды

Пористость может быть открытой и закрытой.

3) Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости. Плотность зависит от пористости, т.е. плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счёт открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создаётся открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии. С повышением пористости материала увеличивается гигроскопичность и водопоглощение. А водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала, увеличивается плотность, материал набухает, его теплопроводность возрастает, а прочность и морозостойкость понижаются. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой.

III. Природные каменные материалы.

Классификация горных пород по условиям образования. Основные области применения нерудных материалов в строительстве.

Признаком, по которому принято классифицировать горные породы, является генетический признак, т.е. по условиям образования.

А. Изверженные или магматические или первичные горные породы – образовались в литосфере в результате охлаждения и отвердевания магмы.

1) Глубинные или интрузивные горные породы – образовались в глубине литосферы в результате медленного и равномерного охлаждения магмы под влиянием вышерасположенных земных слоёв. Характерны зернистокристалическая и полнокристаллическая структуры. Представители – гранит, диорит, габбро, перидотит, пироксенит.

2) Излившиеся или эффузивные горные породы.

а) Излившиеся плотные горные породы – образовались в верхних горизонтах литосферы при более быстром и менее равномерном охлаждении магмы. Характерна порфировая структура, в основной стекловидной массе породы распределены, так называемые, порфировые вкрапленники (крупные кристаллы). Представители – кварцевый и бескварцевые порфиры, базальт, трахит, диабаз, порфирит, андезит.

б) Излившиеся пористые горные породы – образовались в результате быстрого охлаждения магмы на поверхности литосферы. Такие условия охлаждения обуславливают стеклообразное пористое строение. Представители – вулканический пепел, стекло, вулканический туф, пемза, туфовая лава.

Б. Осадочные или вторичные горные породы – образовались из магматических горных пород в поверхностных слоях литосферы в результате разрушения последних из-за выветривания (чередования температур, чередования увлажнения и высушивания, воздействия ветра), химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности растений и животных.

1) Механические горные породы – являются продуктами механического разрушения каких-либо материнских пород и сложены преимущественно обломками устойчивых к выветриванию минералов и пород.

а) Рыхлые механические горные породы – образовались в результате накопления крупных обломков. Представители – песок, гравий, природный щебень, галька.

б) Сцементированные механические горные породы – образовались из рыхлых механических отложений в результате сцементирования последних «природными цементами» (известковые, кремнистые, глинистые, железные). Представители – песчаники, конгломераты, брекчии.

2) Химические горные породы – образовались в результате осаждения из концентрированных водных растворов. Представители – гипс, доломит, магнезит, некоторые виды известняков, известковый туф, ангидрит.

3) Органогенные отложения – образовались при непосредственном или косвенном участии организмов. Представители – известняки, мел, диатомит, трепел, опока.

В. Метаморфические или видоизменённые горные породы – образовались из-за значительного преобразования магматических пород, из-за изменившихся в литосфере физико-химических условий. Происходят глубокие изменения минерального состава, строения и свойств первоначальных пород. Основными факторами метаморфизма являются: высокие температуры, давления газов, воздействия расплавов, механические воздействия. Представители – гнейс, мрамор, кварцит, глинистые и кремнистые сланцы.

Основные области применения:

ПГС – возведение фундаментов и стен, декоративная и защитная облицовка строительных конструкций, настилка полов, изготовление элементов лестниц и ограждений.

Дорожное строительство – изготовление дорожных плит и камней + бордюрные камни. Изготовление элементов мостов, опор подземных сооружений, облицовок набережных, опоров мостов. Для защиты конструкций от воздействия кислот, щелочей, высоких температур.

Как сырьё для производства искусственных строительных материалов.

Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 1818 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

На что влияет пористость материала

§ 5. Структурные характеристики и физические свойства материалов

Средняя плотность материала q_m (далее мы будем называть ее просто плотностью), физическая величина, определяемая отношением массы т материала ко всему занимаемому им объему V (м 3 ), включая имеющиеся в них пустоты и поры:

Несмотря на кажущуюся простоту этой характеристики материала, плотность несет большой объем информации о других свойствах, о чем неоднократно будет говориться ниже.

Истинная плотность материала q характеризуется массой единицы объема материала, причем имеется в виду объем только твердого вещества, из которого состоит материал V_TB, без учета объема пор и пустот

Обычно пористость рассчитывают исходя из средней и истинной плотности материала

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 до 90. 98% (табл. 2).

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). Характер пор важен, например, при оценке способности материала поглощать воду. Так, полистирольныи 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.

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

Из приведенных формул, очевидно,

Вода, находящаяся в порах материала, при замерзании увеличивается в объеме почти на 10%. В результате стенки некоторых пор разрушаются и при повторном увлажнении вода проникает глубже в материал. Такие циклически повторяющиеся замораживания и оттаивания с увлажнением постепенно разрушают материал.

Морозостойкость зависит от пористости и водопоглощения материала. Плотные материалы (пористость 0%), а также материалы с замкнутыми порами, т. е. с небольшим водопоглощением, обладают высокой морозостойкостью. Материалы с открытой пористостью обладают, как правило, невысокой морозостойкостью, и требуются обязательные лабораторные испытания для ее оценки.

Если материал увлажнен, т. е. воздух в порах замещен водой, то теплопроводность материала резко возрастает, так как теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха.

Несгораемые материалы под действием огня или высокой температуры не горят и не обугливаются. К таким материалам относятся бетон, кирпич и т. п. Однако некоторые несгораемые материалы (стекло, асбестоцемент, мрамор) при резком нагревании разрушаются, а стальные конструкции при сильном нагревании теряют прочность и деформируются.

Трудносгораемые материалы под действием огня медленно воспламеняются и после удаления огня их горение и тление прекращаются. К этим материалам относятся фибролит, пропитанная антипиренами древесина, асфальтобетон.

Сгораемые материалы под действием огня или высокой температуры горят и продолжают гореть после удаления источника огня.

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. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), 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. Так, мягкая мебель, ковры заглушают звук.

Источник

Пористость материалов. Определение пористости. Влияние пористости на свойства материалов.

Плотность материалов: истинная, средняя, насыпная, относительная. Методики определения плотности. Зависимость свойств материалов от их плотности.

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

Среднюю плотность вычисляют путем деления массы образца m, г (кг), на его геометрический объем V, см 3 (м 3 )

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

где ρ_w и ρ₀ средняя плотность влажного и сухого материала; W – количество воды в материале (доля от его массы).

Метод определения средней плотности зависит от формы образца материала.

Насыпной плотностью называется отношение массы материала в свободном рыхло насыпанном состоянии к его объему.

Определение насыпной плотности сыпучих материалов производят засыпкой их в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см через воронку или без нее. Объем материала определяют по объему цилиндра. Воронка обеспечивает равномерное заполнение мерного цилиндра материалом. Образовавшуюся (без уплотнения) над краями цилиндра горку материала срезают ножом или линейкой. После этого цилиндр с материалом взвешивают. Насыпную плотность материала рассчитывают по формуле:

где — масса пустого мерного цилиндра; — масса цилиндра, заполненного испытываемым материалом; V – объем мерного цилиндра.

Для определения абсолютного объема образцы измельчают в порошок до полного прохождения через сито с размером отверстий 0,2 мм. (Считается, что каждое отдельное зерно такого размера не содержит внутренних пор.)

Истинную плотность определяют в приборе Ле-Шателье – Кандло. Прибор представляет собой стеклянную колбу с узкой трубкой, имеющей шарообразное уширение в средней части. На трубке ниже уровня уширения имеется черта; верхняя часть трубки градуирована делениями и заканчивается воронкой.

Истинную плотность вычисляют по формуле:

Большинство строительных материалов имеет поры, поэтому истинная плотность у них всегда больше средней. Лишь у плотных материалов (сталь, стекло) истинная и средняя плотность практически равны, так как объем внутренних пор у этих материалов ничтожно мал.

Пористость материалов. Определение пористости. Влияние пористости на свойства материалов.

Пористостью называют степень заполнения общего объема материала порами (отношение объема пор к объему образца). Пористость подразделяется на открытую, закрытую и общую пористости, от величины которых зависят водопоглощение, водо-, газо- и паропроницаемость строительных материалов. С пористостью связаны также такие свойства материалов как прочность, теплопроводность, морозостойкость, звукопроницаемость и др.

Закрытую пористость П_закр находят по разности между общей и открытой пористостью:

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90-98% (пенопласт). Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размеров в сотые и тысячные 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, благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду. Открытые поры увеличивают водопоглощение и ухудшают морозостойкость. В звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала.

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.

Источник

Влияние пористости на физико-механические свойства материала

Из общих представлений известно, что пустоты и другие структурные дефекты твердых тел ослабляют рабочее сечение изделия, приводят к возникновению локальных перенапряжений и к снижению его эксплуатационных характеристик. При существовании в реальных углепластиках развитой системы пор и трещин разрушение образцов при заданной нагрузке должно определяться наличием в нем хотя бы одного дефекта, размеры которого являются критическими при данном напряжении.

В настоящее время отсутствует последовательная теория, связывающая константы механических характеристик углепластиков с количеством, формой и характером распределения в них дефектов, и в первую очередь пористости.

В литературе приводятся некоторые данные о результатах экспериментальной проверки структурной чувствительности механических, свойств углепластиков, однако количественное влияние пор пока изучено недостаточно. Так, в работе [13] установлено, что небольшая пористость значительно влияет на прочность однонаправленного ПКМ. Особенно опасны поры размером 20—50 d, (d— диаметр углеродного волокна). Эти поры вызывают значительное снижение прочности на срез и на сдвиг (прочность может изменяться на 100%). Для получения углепластика с прочностью при растяжении более 1000МПа размеры дефектов в направлении, перпендикулярном растяжению, недолжны превышать 150—170 мкм, чтобы исключить их влияние как концентраторов напряжения. В работе [13] показано, что в зависимости от пористости прочность при растяжении углепластика может изменяться в пределах 1100МПа – 1400МПа (рис.1.6), модуль упругости в пределах 70-76 ГПа (рис.1.6) и прочность при межслоевом сдвиге 31-42 МПа (рис.1.6).

Рисунок 1.6. Зависимость прочности при растяжении (а), модуля упругости (б) и прочности при межслоевом сдвиге от содержания пор в углепластике [13].

Однако ряд авторов в своих работах приходит к другим выводам. Так, Кортен считает, что поры незначительно влияют на прочность композиционных структур, но в работе он приводит зависимость предела прочности при растяжении от объема пустот:

σ=σ_s ,

где σ_s— прочность углепластика без пустот; V₀ — объем пустот; V — полный объем пластика.

Эта зависимость хорошо согласуется с экспериментальными данными, но она не учитывает влияния пористости как концентраторов напряжения.

С другой стороны, Кортен приходит к вы­воду, что, «с точки зрения механических свойств исследованных пласти­ков, пустоты не являются критическими дефектами».

В качестве основной характеристики монолитности любых ПКМ применяют показатель объемного содержания пор (Vп), а его влияние, например, на прочность при растяжении однонаправленно армированных пластиков (АП) выражают формулой вида:

Формула (1.2) отражает тот факт, что образующиеся в ПКМ поры концентрируются в матрице, нарушая принцип ее непрерывности. Экспериментальным подтверждением представленной зависимости могут служить данные о влиянии пористости матрицы на механические свойства эпоксиуглеволокнитов и реализацию в их составе исходной прочности (σ_в) и модуля упругости (Е_в) армирующих углеродных волокон (табл. 1.2). Эта реализация охарактеризована показателями относительных коэффициентов Кσ и К_Е соответственно. Расчет этих коэффициентов на примере Кσ имеет вид:

Таблица 1.2. Зависимость механических свойств эпоксиуглепластиков и коэффициентов реализации, в них средних значений прочности и модуля упругости волокон от пористости матрицы

Как следует из данных таблицы, изменения прочности ПКМ с нарастанием пористости носит линейный характер [22].

Рисунок 1.7. Зависимость коэффициентов реализации средней
прочности углепластиков (1, 2) и размеров пор (3, 4) от пористости матрицы:

Влияние пористости на снижение прочности компози­тов зависит от вида их напряженного состояния. В наи­большей степени оно сказывается на сопротивлении слоистых материалов сдвиговым нагрузкам, в меньшей степени — на сопротивлении изгибающим и растягиваю­щим нагрузкам. Различие между реализацией прочности волокон в пористых композициях при их растяжении и изгибе прежде всего вызвано неравномерным распреде­лением напряжений по объему материала при изгибе, из-за чего максимальная нагрузка сосредоточена на участке, соизмеримом с критической длиной во­локна и длиной поры, что приводит к интенсивному сни­жению прочности композиции. Минимальной чувстви­тельностью к пористости обладают бороволокниты при растяжении и изгибе (в отсутствие деформации сдвига). Снижение прочности бороволдкнитов в 1,2 раза меньше, чем у углепластиков, при одинаковой относительной пористости.

При испытании на изгиб стандартных образцов с разной пористостью наблюдалось расслаивание вдоль нейтральной плоскости с одного конца образца до его середины. Отмечено, что расслаивание чаще наблюдается при испытании образцов с высокой пористостью; монолитные образцы (пористость меньше 3—5%) разрушаются, как правило, без расслаива­ния. Известно, что одним из недостатков слоистых пластиков как кон­струкционных материалов является низкая прочность при сдвиге между слоями. Расслаивание образцов с высокой пористостью при испытании на изгиб подтверждает, что пористость уменьшает сопротивление мате­риала касательным напряжениям.

На основании изложенного можно полагать, что сложная система трещин, характерная для структуры углепластиков, оказывает заметное влияние не только на сопротивление материала касательным напряжениям, но также сказывается на результатах разрушения от нормальных напряжений при растяжении, сжатии и изгибе.

Рисунок 1.8. Микрофотографии углепластика с трещинами, растущими из пор: содержание пор (a) 8,0%; (б) 9,0%. [14]

При испытании сухих образцов увеличение пористости вызывает соответствующее уменьшение прочности по линейному закону, то при испытании мокрых образцов увеличение пористости приводит к более резкому снижению показателей прочности. Так, при увеличении пористости от 0 до 4—6% прочность мокрых образцов прочность уменьшается в среднем на 40—50% (рис.1.9). Дальнейшее увеличение пористости не вызывает столь резкого падения прочности.

Рисунок 1.9. Зависимость предела прочности при статическом изгибе образцов ПКМ от пористости в исходном состоянии (1) и после кипячения в воде (2). Образцы вырезались вдоль основы ткани.·,D — экспериментальные точки зависимости σ_ви от V для образцов в исходном, состоянии и после кипячения в воде соответственно (испытания по ГОСТу 4648—56); О — то же для образцов, испытанных по методике (каждая точка — среднее значение по результатам испытания пяти образцов) [15].

Это, очевидно, связано с тем, что вдоль поверхности волокна на границе раздела со связующим имеются определенные дефекты в виде трещин, пор и каналов. Установлено, что размер этих каналов обычно достигает 25 нм. Образование пор в связующем приводит к увеличению внутренней поверхности материала и соединяет трещины и каналы, расположенные вдоль волокон, в единую систему. Поэтому достаточно нескольких сквозных или открытых пор, чтобы вода или ее пары проникли в граничную область между связующим и волокном и вызвали снижение прочности образца, углепластика по закону, отличному от линейного. Механизм снижения прочности углепластика под действием воды в настоящее время изучен недостаточно, однако многие авторы считают причиной этого явления пластифицирующее действие воды на связующее в граничной области с волокном, а также снижение прочности углеродного волокна под влиянием поверхностно-активной среды, которой является вода.

В результате проведенного анализа литературы выявлено следующее:

· В результате анализа литературных данных о природе пористости в углепластике выявлено, что поры в них являются в большинстве случаев закрытыми, имеют сложное распределение по конструкции изделия, возникают в результате наличия влаги и летучих компонентов в связующем, технологических отклонениях при изготовлении. Для получения беспористых пластиков необходимо строго соблюдать технологию изготовления образцов и проводить тщательный контроль влажности помещений хранения и сборки пакетов сухих армирующих наполнителей и препрегов.

· Рассмотрены методы определения пористости, их преимущества и недостатки.

· Выявлено, значительное влияние пористости на физико-механические свойства углепластиков, установлена корреляция между прочностью и пористостью углепластика. Прочностные характеристики являются ключевыми в проектировании, конструировании и производстве изделий и конструкций из полимерных волокнистых композиционных материалов. Поэтому важно знать особенности изменения прочностных характеристик для конкретного углепластика в зависимости от содержания пор. Показана необходимость учета пористости углепластика при расчете и проектировании реальных конструкций из этих материалов.

В исследовательской части необходимо решить следующие задачи:

Определить влияние давления формования на содержание пор в листовых углепластиках.

Провести экспериментальные исследования влияния пор на механические свойства углепластика с различными схемами армирования при растяжении и сжатии.

Экспериментальная часть

Объекты исследований.

В работе объектом исследования является углепластик на основе эпоксидного связующего горячего отверждения АпАТэК-КПР-150 и углеродных волокон Toho Tenax IMS65 E23 24K, изготовленный прессованием в виде листов с заданием 3-х различных схем армирования (таблица 1.3). Разное содержание пор обеспечивается варьированием давления прессования которое составляло 0,1; 0,4; 1 Мпа соответственно.

Характеристики отвержденного эпоксидного связующего и углеродного волокна Toho Tenax IMS65 E23 24K приведены в таблицах 1.4 и 1.5 соответственно.

Таблица 1.3. Схемы армирования углепластиков.

Таблица 1.4. Характеристики отвержденного эпоксидного связующего АпАТэК-КПР-150.

Таблица 1.5. Характеристики углеродного волокна Toho Tenax IMS65 E23 24K.

Методики исследований

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник