3. Методи дослідження структури порового простору будівельних матеріалів

3.1. Будова пористого матеріалу

До фізичних властивостей будівельних матеріалів відносяться густина і пористість. Розрізняють густину речовини (істинну) і густину матеріалу (середню). Істинна густина речовини  - це фізична величина, яка чисельно дорівнює масі речовини в одиниці об'єму і визначається за формулою:

 = m/V (3.1)

Середня густина матеріалу ₀ - це величина, яка дорівнює відношенню маси матеріалу до об'єму, який він займає в натуральному вигляді, тобто із врахуванням пор і порожнин, та визначається за формулою:

₀ = m/V₀ (3.2)

В системі одиниць СІ  і ₀ вимірюється в кг/м³, а в СГС в г/см³ (1 г/см³ = 10³ кг/м³).

Якщо речовина займає тільки частину об'єму матеріалу, а інша частина є пори і пустоти, то середня густина матеріалу ₀ буде менша за істинну густину речовини , а коли речовина займає весь об'єм матеріалу, тоді  = ₀. Густина пористих матеріалів завжди менша за їх істинну густину. Наприклад, густина легкого бетону 500...1800 кг/м³, а його істинна густина 2600 кг/м³. Середня густина будівельних матеріалів знаходиться в дуже широких межах: від 20 (поропласт "МІПОРА") до 7860 кг/м³ для сталі.

Степінь заповнення об'єму матеріалу твердою речовиною називають коефіцієнтом густини К_гсm або відносною густиною d. Визначається вона як відношення густини матеріалу ₀ до густини речовини .

d = К_гсm = ₀/ (3.3)

Будова пористого матеріалу характеризується загальною, відкритою і закритою пористістю, розподілом пор за їх радіусами, середнім радіусом пор і питомою їх поверхнею.

Пористістю П називають відношення об'єму пор в матеріалі V_пор до об'єму матеріалу V₀ , і її значення визначається за рівнянням:

(3.4)

В сумі П + d = 1 (або 100%), тобто висушений матеріал можна уявити як такий, що складається із твердого каркасу, який забезпечує міцність виробу і повітряних пор.

Під відкритою пористістю П₀ розуміють весь об'єм всіх пор матеріалу, сполучених між собою та із поверхнею виробу. Вона дорівнює відношенню всього об'єму пор, які насичені водою до об'єму матеріалу V₀:

П₀ = (3.5)

де m₁, і m₂ - маса зразка відповідно в сухому і насиченому водою стані.

Відкриті пори матеріалу сполучені із оточуючим середовищем можуть сполучатись між собою, тому вони заповнюються водою при звичайних умовах насичення, наприклад, при зануренні зразка матеріалу у ванну із водою. Відкриті пори збільшують проникність і водопоглинання матеріалу та погіршують його морозостійкість. Закрита пористість П_з дорівнює:

П_з = П – П₀ (3.6)

Пористий матеріал має відкриті і закриті пори. Збільшення закритої пористості за рахунок відкритої підвищує його довговічність. Проте в звукопоглинаючих матеріалах і виробах свідомо створюється відкрита пористість і перфорація, які необхідні для покращення поглинання звукової енергії.

Пористість є важливою характеристикою, оскільки з нею пов'язані такі технічні властивості матеріалу, як міцність, водопоглинання, морозостійкість, теплопровідність тощо. Легкі пористі матеріали мають, звичайно, невелику міцність, а щільні (П = 0...0,8%) – водонепроникні.

Розподіл пор за розмірами характеризується інтегральною кривою розподілу пор за їх радіусами в одиниці об'єму матеріалу (рис. 3.1) і диференціальною кривою розподілу об'єму пор за їх радіусами (рис. 3.2.).

Площа під диференціальною кривою розподілу об'єму пор за їх радіусами дорівнює інтегральній пористості, тобто сумарному об'єму всіх пор в одиниці об'єму матеріалу.

Рис. 3.1 Рис. 3.2

Інтегральна (рис. 3.1) та диференційна (рис. 3.2) криві розподілу пор за радіусами.

За розмірами пори поділяють на три групи: мікрокапіляри при r ≤ 0,1 мкм, мікрокапіляри 0,1 < r < 10 мкм і некапілярні пори, тобто пори із умовними радіусами r ≥ 10 мкм, які заповнюються водою тільки при зануренні матеріалу в рідину. Мікропори розділяють на ультрамікропори при і перехідні мікропори, коли мкм. 1 мкм = 10^-6 м, = 10^-10 м.

За формою та взаємному розміщенню пори і капіляри класифікують на кілька груп: а) за формою поперечного перерізу: рівні трубчасті, "пляшкоподібні", клиновидні, щілеві та їх комбінації; б) за просторовим орієнтуванням: прямі, зі звилинами, петлеподібні; в) за неперервністю: відкриті (каналоутворюючі), глухі (відкриті з однієї сторони), закриті.

Питома поверхня порового простору S₀, см²/г пропорційна масі m адсорбованого водяного пару (або газу), необхідного для повного покриття мономолекулярним шаром всієї внутрішньої поверхні пор (в г на 1 г сухого матеріалу):

S₀ = (a₁N_А/М)  m (3.7)

де a₁ - поверхня, яка покрита однією адсорбованою молекулою; для молекул води a₁ = 10,610^-16 см²; N_А = 6,0610²³ - число Авогадро; М - молекулярна маса адсорбованого газу (для водяного пару М = 18).

Відомо, що навіть незначна за об'ємом кількість пустот в матеріалах приводить до значної зміни їх властивостей. Всі властивості матеріалів визначаються їх складом і будовою, а також величиною і характером пористості.