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设计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
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”。
在工程测量中,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
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
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
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
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。