3.5. Густина тіла та методи її вимірювання Загальні поняття

При визначенні залежності характеристик будівельних матеріалів та виробів від їх фізичних властивостей не останнє місце відіграє таке поняття, як густина речовини або тіла. Особливо треба відмітити, що до таких штучних виробів як бетони ставляться вимоги не тільки мати достатню для класу міцність, а й відповідну середню густину. Тобто, в перелік основних показників якості бетону, які визначають клас та марку бетону, крім міцності, морозостійкості, водонепроникності тощо, входять і марки за середньою густиною „D” [6], які включають:

• легкий бетон – D800... D2000 (через 100);

• поризований бетон – D800... D1400 (через 100);

• ніздрюватий бетон – D500... D1200 (через 100).

Цифри, які стоять біля букви, означають середню густину бетону в кг/м³.

Звернемо увагу, що середня густина (об’ємна маса) є однією з визначальних характеристик не тільки бетону, а й деревини та виробів з неї (наприклад, фіброліт, дерев’яні пластики, п’єзотермопластики тощо), теплоізоляційних матеріалів, пластмас.

Отже, розглянемо саме поняття густини матеріалів та методи її вимірювання.

Густина матеріалів є властивістю матеріалу, фізична величина якої кількісно характеризується відношенням маси тіла до його об’єму :

.

Цей вираз є справедливим лише для однорідних тіл. У неоднорідних тіл густина різних ділянок тіла є різною. Тоді вибирають малий об’єм , всередині якого тіло можна вважати однорідним, а густину визначають так:

.

Або переходячи до границі:

.

Крім густини, тіла можуть характеризуватись ще питомою вагою. Питома вага є фізичною величиною, чисельно рівною відношенню ваги тіла у вакуумі (повітрі) до його об’єму:

.

Якщо можна вважати, що вага тіла , то густина та питома вага пов’язані співвідношенням:

.

Зазвичай питомою вагою характеризуються рідини.

Для поруватих та сипучих матеріалів розрізняють дійсну густину та уявну густину, яка є відношенням маси матеріалу до всього зайнятого ним об’єму.

Густина матеріалів збільшується при збільшенні тиску та, як правило, зменшується при підвищення температури. Виключенням є вода, яка має максимальну густину при 4^о С. При фазових перетвореннях густина матеріалів змінюється стрибкоподібно, збільшуючись при переході з рідкого у твердий стан. Тільки вода, чавун та деякі метали при твердінні стають менш густими.

Для будівельних матеріалів велике значення має відносна густина – відношення об’єму матеріалу в зразку до повного об’єму зразка. У багатьох з них відносна густина є меншою за 100 %.

Густина матеріалів є однією з основних характеристик, яка залежить від досконалості внутрішньої структури матеріалу, внаслідок чого її іноді використовують в якості структурно-чутливого параметра. Визначення густини металевих порошків, схильних до утворення поверхневих плівок (наприклад, окисних), дозволяє зробити висновок про степінь чистоти порошку.

Вивчення густини матеріалу є необхідним також при створенні композиційних матеріалів з високими питомими (тобто віднесеними до одиниці густини) механічними характеристиками [7], такими як міцність, модуль пружності тощо. Треба відмітити, що густина матеріалів та виробів досить сильно відрізняються.

Для визначення густини однорідних тіл правильної геометричної форми застосовують досить простий прямий метод – зважування на терезах та вимірювання об’єму тіла і розрахунок густини за формулою:

.

Якщо зразок не має чітко вираженої геометричної форми, яка дозволяє визначити його об’єм, то густину матеріалу, з якого він зроблений, визначають методами волюмометричного аналізу.

Волюмометричний аналіз (від лат. volumen – об’єм та грец. – вимірюю) – аналіз фізичних та фізико-хімічних властивостей матеріалів (переважно твердих), заснований на вимірюванні їх питомого об’єму або густини. Розрізняють методи волюмометричного аналізу: пікнометричний, гідростатичний, флотаційний та дилатометричний. Зупинимось більш конкретно на кожному з методів.