材料体积密度、吸水率及气孔率的测定

材料体积密度、吸水率及气孔率的测定 一．实验目的意义 在无机非金属材料中，有的材料内部是有气孔的，这些气孔对材料的性能和质量有重要的影响。 材料的体积密度是材料最基本的属性之一，它是鉴定矿物的重要依据，也是进行其它许多物性测试（如颗粒粒径测试）的基础数据。材料的吸水率、气孔率是材料结构特征的标志。在材料研究中，吸水率、气孔率的测定是对制品质量进行检定的最常用的方法之一。在陶瓷材料、耐火材料、塑料、复合材料等材料的科研和生产中，测定这三个指标对质量控制有重要意义。 本实验的目的： 1. 了解体积密度、吸水率、气孔率等概念的物理意义。 2. 掌握体积密度、吸水率、气孔率的测定原理和测定方法。 3．了解体积密度、吸水率、气孔率测试中误差产生的原因及防止方法。 二．基本原理 材料吸水率、气孔率的测定都是基于密度的测定，而密度的测定则基于阿基米德原理。由阿基米德定律可知，浸在液体中的任何物体都要受到浮力（即液体的静压力）的作用，浮力的大小等于该物体排开液体的重量。重量是一种重力的值，但在使用根据杠杆原理制造的天平进行衡量时，对物体重量的测定已归结为对其质量的测定。因此，阿基米定律可用下式表示： ｍ１ － ｍ２ ＝ ｖd L                          （１） 式中，  ｍ１  — 在空气秤量物体时所得物体的质量； ｍ２  — 在液体中秤量物体时所得物体的质量； ｖ —— 物体的体积； d L —— 液体的密度。 这样，物体的体积就可以通过将物体浸于已知密度的液体中，通过测定其质量的方法来求得。由于浸于浸液中的物体受到液体静压力的作用，所以这种方法称之为“液体静力衡量法”。 在测量中，往往忽略空气浮力的影响，在此前提下进一步推导可得用称量法测定物体密度时的原理公式 ｍ１ d L d = ---------------                    （2） ｍ１ － ｍ２ 这样，只要测出有关量并代入上式，就可计算出待测物体在温度ｔ℃时的密度。 材料的密度，可以分为真密度、体积密度等。体积密度指不含游离水材料的质量与材料的总体积（包括材料的实体积和全部孔隙所占的体积）之比。当材料的体积是实体积（材料内无气孔）时，则称真密度。 气孔率指材料中气孔体积与材料总体积之比。材料中的气孔有封闭气孔和开口气孔（与大气相通的气孔）两种，因此气孔率有封闭气孔率、开口气孔率和真气孔率之分。封闭气孔率指材料中的所有封闭气孔体积与材料总体积之比。开口气孔率（也称显气孔率）指材料中的所有开口气孔体积与材料总体积之比。真气孔率（也称总气孔率）则指材料中的封闭气孔体积和开口气孔体积与材料总体积之比。 吸水率指材料试样放在蒸馏水中，在规定的温度和时间内吸水质量和试样原质量之比。在科研和生产实际中往往采用吸水率来反映材料的显气孔率。 无机非金属材料难免含有各种类型的气孔。对于如水泥制品、陶瓷制品等块体材料，其内部含有部分大小不同，形状各异的气孔。这些气孔中的一部分浸渍时能被液体填充。 将材料试样浸入可润湿粉体的液体中，抽真空排除气泡，计算材料试样排除液体的体积。便可计算出材料的密度。当材料的闭气孔全部被破坏时，所测密度即为材料的真密度。 图1  液体比重天平 1. 天平    2. 试样 3． 有溢流孔的金属（玻璃）容器 4. 砝码    5. 接溢流出液体的容器 为此，对密度、吸水率和气孔率的测定所使用液体的要求是：密度要小于被测的物体，对物体或材料的润湿性好，不与试样发生反应，也不使试样溶解或溶胀。最常用的浸液有水、乙醇和煤油等。 三、实验器材 1． 液体比重天平，如图1所示。 2． 抽真空装置，如图2所示。 3． 烘箱。 4． 烧杯、镊子、小毛巾等。 5． 蒸馏水。 四、测试步骤 1． 试样制备 ⑴  从待测试样中切取试块，每种试样取5块。每块试样30～60克。 图2  材料密度和气孔率测试的真空系统 1. 载物架  2. 块状试样  3. 真空干燥器 4. 真空计  5. 旋塞阀，6. 冲液瓶  7. 三通旋塞阀 8. 缓冲瓶。9. 真空泵 ⑵  用超声波清洗机清洗块状材料表面，在110℃（或在可允许的更高温度）下烘干至恒重。置于干燥器中冷却至室温。称取试样质量M1 。试样干燥至最后两次称量之差小于前一次的0.1% 即为恒重。 ⑶  将试样置于烧杯或其它清洁容器内，并放于真空干燥器内抽真空至＜20 Torr,保压5分钟，然后在5分钟内缓慢注入浸液（本实验用蒸馏水），直至浸没试样。再保持＜20 Torr压力5分钟。将试样连同容器取出后，在空气中静置30分钟。 2. 饱和试样表观质量的测定 表观质量为饱和浸液的试样在浸液中称得的质量。将饱和试样吊在天平的吊钩上，并浸入有溢流管容器的浸液（本实验用蒸馏水）中，称取饱和试样的表观质量M2 。 3. 饱和试样质量的测定 将饱和了浸液的毛巾，小心地拭去饱和试样表面流挂的液珠（注意不可将大孔中的浸液吸出）。立即称取饱和试样的质量M3 。 4. 渍用液体积密度的测定 浸渍液体在测试温度下的体积密度，可以采用定体积液体称重法、液体比重天平称重法或液体比重计测量法测定。精确至0.001 g/cm3 。由于本实验用蒸馏水为浸渍液体时，其密度可从表1中查出。 表1  水在常用温度下的密度（g/cm3 ） 温度℃ 密度 温度℃ 密度 温度℃ 密度 0 0.99987 16 0.99897 32 0.99505 2 0.99997 18 0.99862 34 0.99440 4 1.00000 20 0.99823 36 0.99371 6 0.99997 22 0.99780 38 0.99299 8 0.99988 24 0.99732 40 0.99224 10 0.99973 26 0.99681 42 0.99147 12 0.99952 28 0.99626 44 0.99066 14 0.99927 30 0.99567 46 0.98982             五、数据记录与处理 将测试结果结果填入表2中。材料的吸水率、气孔率、体积密度由下列公式计算： 表2    材料吸水率、气孔率、体积密度测定实验记录表 试 样 名 称   测 定 人   测 定 日 期   试 样 号 1 2 3 4 5   干试样质量 M1             饱和试样的表观质量 M2             饱和试样在空气中质量 M3             吸 水 率 ％             显气孔率 ％             真气孔率 ％             闭口气孔率 ％             体积密度 （kg/m3）                               1） 吸水率 Wa：  M3 - M1 Wa = ────×100％                                （3） M1 2) 显气孔率Pa： M3 - M1 Pa = ──── ×100％                                （4） M3 - M2 3) 体积密度Db： M1×Dl Db = ────                                        （5） M3 - M2 4) 真气孔率Pt: Dt - Db Pt = ──── ×100％                                  （6） Dt 5) 闭气孔率Pc:                      Pc = Pt - Pa                                            （7） 式中: Dl ── 测试温度下,浸液的密度，（ g/cm3 ）； Dt ── 试样的真密度，（ g/cm3 ）。 思  考  题 1. 测定材料真密度的意义是什么 ？ 2. 导致影响真密度测试准确性的因素是什么 ？ 3. 材料真气孔率、开口气孔率、闭口气孔率、吸水率和体积密度的意义与相互关系是什么 ？ 4. 对于含有未知矿物（或混合物比例）的烧结物，怎样利用本实验的方法评价材料的烧结质量 ？ 主要参考文献 [1]  孙淑珍、张洪泉，陶瓷工艺实验，武汉工业大学，56～62。 [2]  祝桂洪编著，陶瓷工艺实验，中国建筑工业出版社，1987年6月（第一版），48～51、72～75。 [3] GB 2597-89  建筑卫生陶瓷吸水率试验方法。 [4]  GB/T 1996-96  多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法。 [5]  GB 9966.3-88  天然饰面石材试验方法 体积密度、真密度、真气孔率、吸水率试验方法。 [6] GB/T 11970-97  加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法。