材料体积密度、堆积密度计算方法,材料与水有关的性质

 时光荏苒      

材料的结构特征参数


(一)材料的密度密度是指材料的质量与其体积之比。根据材料所处状态不同,可分为密度、体积密度和堆积密度。


材料密度


材料在绝对密实状态下,单位体积的质量称为密度。按下式计算:nρ=m/v


式中ρ—密度,g/cm3或kg/m3;


m---材料的质量,g或kg;


v—材料在绝对密实状态下的体积,(即材料体积内固态物质的实体积),cm3或m3。


材料密度的大小取决于材料的组成及微观结构,因此相同组成及微观结构的材料其密度为一定值。


在建筑材料中,除金属、玻璃等少数材料外,都含有一些孔隙。为了测得含孔材料的密度,应把材料磨成细粉,除去孔隙,经干燥后用李氏瓶测定其实体积。材料磨得越细,所测得的体积越接近绝对体积。

体积密度(表观密度)


材料在自然状态下,单位体积的质量称为体积密度。按下式计算:ρ0=m/vo


式中ρ0---体积密度,g/cm3或kg/m3;m---自然状态下材料的质量,g或kg;v0—材料在自然状态下的体积,cm3或m3。


在自然状态下,材料体积内常含有孔隙。一些孔之间相互连通,且与外界相通称为开口孔。一些孔互相独立,不与外界相通称为闭口孔,如图1-1。一般材料在使用时,其体积为包括内部所有孔在内的体积即自然状态下的体积,如砖、混凝土、石材等。有的材料如砂、石,在拌制混凝土拌合料时,因其内部的开口孔被水所填入,因此体积内只包括材料的实体积及内部的闭口孔.为了区别这两种情况,常将包括所有孔隙在内的密度称为体积密度.把只包括闭口孔在内时的密度称为视密度.用ρ,表示。表观密度在计算砂、石在混凝土中的实际体积时有实用意义。


在自然状态下,材料内往往含有水分,其质量将随含水程度而改变,故测定体积密度时应注明其含水程度。一般指的是材料在气干状态下的体积密度,干燥材料的体积密度称为干体积密度。


材料的体积密度主要取决于材料的密度、宏观结构以及含水程度。


堆积密度


粉状或颗粒状材料在堆积状态下,单位体积的质量称为堆积密度。按下式计算:ρ’=m/v’


式中ρ'---材料的堆积密度,kg/m3;m---材料的质量,kg;v'—材料的堆积体积,m3。


材料在堆积状态下,其堆积体积不但包括所有颗粒内的孔隙,而且还包括颗粒间的空隙。其值大小不但取决于材料颗粒的体积密度,而且还与堆积的疏密程度有关。


在土木工程中,进行配料计算、确定材料堆放空间及运输量、材料用量及构件自重等经常用到的材料的密度、体积密度和堆积密度的数值,见表1-1常用材料的密度、表观密度,堆积密度。


二)材料的密实度与孔隙率


密实度


密实度是指材料体积内,被固体物质充实的程度。以D表示,并按下式计算:D=V/V0


孔隙率


孔隙率是指材料体积内,孔隙体积所占有的比例。以P表示,并按下式计算:P=(V-V0)/V0=1-D=1-ρ/ρ0


n孔隙率与密实度从两个不同侧面来反映材料的致密程度,即D+P=1。


建筑材料的许多工程性质如强度、吸水性、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声


性等都与材料的致密程度有关。这些性质除取决于孔隙率的大小外,还与孔隙的构造特征密切相关。孔隙特征主要指孔隙的种类(开口孔与闭口孔)、孔径的大小及孔的分布等。实际上绝对的闭口孔是不存在的。在建筑材料中,常以在常温、常压下水能否进入孔中来区分开口与闭口。因此,开口孔隙率(Pk)是指常温常压下能被水所饱和的孔体积(即开口孔体积Vk)与材料体积之比。闭口孔隙率(PB)便是总孔率P与开口孔隙率Pk-之差。


由于孔隙率的大小及孔隙特征对材料的工程性质有不同的影响,因此常采用改变材料的孔隙率及孔隙特征的方法来改善材料的性能,例如对水泥混凝土加强养护提高密实度或加入引气剂,引入一定数量的闭口孔,都可以提高混凝土的抗渗及抗冻性能。


二、材料与水有关的性质


(一)亲水性与憎水性


材料与水接触时出现两种不同的现象,这是由于水与固体表面之间的作用情况不同。若材料遇水后其表面能降低,则水在材料表面易于扩展。这种与水的亲合性称为亲水性。表面与水亲合能力较强的材料称为亲水性材料。亲水性材料遇水后的现象,其润湿边角(固、气、液三态交点处,沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角)θ≤90o。与此相反,当材料与水接触时不与水亲合,这种性质称为憎水性。憎水性材料遇水的现象,θ>90o。


工程材料中,各种无机胶凝混凝土、石料、砖瓦等均为亲水性材料,它们为极性分子所组成,与极性分子水之间有良好的亲合性。沥青、油漆、塑料等为憎水性材料,这是因为极性分子的水与这些非极性分子组成的材料互相排斥的缘故。憎水性材料常用作为防潮、防水及防腐材料,也可以对亲水性材料进行表面处理,用以降低吸水性。


(二)吸湿性与吸水性


吸湿性材料在环境中,能自发地吸收空气中水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示,即吸入水与干燥材料的质量之比。材料的吸湿性主要取决于材料的组成及结构状态。一般说,开口孔隙率较大的亲水性材料具有较强的吸湿性。材料的含水率还受到环境条件的影响,它随环境的温度和湿度的变化而改变。最后材料的含水率将与环境湿度达到平衡状态,与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。此时的含水状态称为气干状态。


吸水性材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。吸水性大小用吸水率表示,吸水率常用质量吸水率,即材料吸入水的质量与材料干质量之比表示:nW质=(m饱-m干)/m干式中W质—材料的质量吸水率,%;


m饱—材料吸水饱和后的质量,g或kg;


m干—材料在干燥状态下的质量,g或kg;


n对于高度多孔的材料的吸水率常用体积吸水率表示,即材料吸入水的体积与材料自然状态下体积之比。nW体=V水/V干=(m饱-m干)/ρ0V干n式中,W体—材料的体积吸水率,%;


ρw—水的密度,g/cm3;


V干—材料在自然状态下的体积,cm3;


V水—材料吸水饱和时,水的体积,cm3。


由于在自然状态下,吸入水的体积与开口孔体积相等,因此材料体积吸水率与开口孔隙率数值相等。将上式变换可导出体积吸水率与质量吸水率的关系


n材料吸水率的大小不仅取决于材料对水的亲憎性还取决于材料的孔隙率及孔隙特征。密实材料及具有闭口孔的材料是不吸水的;具有粗大孔的材料因其水分不易存留,其吸水率也常小于其开口孔隙率;而那些孔隙率较大,且具有细小开口连通孔的亲水性材料往往具有较大的吸水能力。


材料在水中吸水饱和后,吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数。材料含水后,不但可使材料的质量增加,而且会使强度降低,保温性能下降,抗冻性能变差,有时还会发生明显的体积膨胀。可见材料中含水对材料的性能往往是不利的。


(三)耐水性


材料在水的作用下,其强度不显著降低的性质称为耐水性。


一般材料含水后,将会以不同方式减弱材料的内部结合力,使强度有不同程度的降低。材料的耐水性用软化系数表示:K=f1/f


式中K—材料的软化系数;


f1—材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa;


f—材料在干燥状态下的抗压强度,Mpa。


材料的软化系数波动在0-1之间,软化系数越小,说明材料吸水饱和后强度降低得越多,耐水性越差。处于水中或潮湿环境中的重要结构物所选用的材料其软化系数不得小于0.85~0.90。因此软化系数大于0.85的材料,可认为是耐水的。干燥环境下使用的材料可不考虑耐水性。

来源:水利工程质量周刊

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