Способ определения капиллярно-пористой структуры материала

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик оц 911237(61) Дополнительное к авт. свид-ву. (22) Заявлено 160280 (21) 2884544/18-25 151) М, Кп.з с присоединением заявки М 9 6 01 й 15/06 Государс 1 венный комитет СССР по делам изобретений и открытийисследовательский институтПромстройниипроект Изобретение относится к контроль-. но-измерительной технике и может най. ти применение при анализе пористости различных .материалов, в частности строительных.Известен способ определения пористости материалов путем вдавлива"ния ртути 1).Недостатками этого способа являются значительная сложность, высокая токсичность ртути и существенная погрешность при определении размера пор, которые кольматированы соединениями коллоидного типа. Последнее имеет важное значение для материалов, изготовленных на основе портландцемента и его разновидностей.Известен также способ термограмм. сушки, который включает водовасьааение образцов, сушки при постоянной температуре и определение объема пор. Причем распределение пор по размерам определяют ка большие или меньшие величины 10 см 2).Недостатками этого способа являются существенная, погрешность за счет испарения воды иэ соединений,кольматирующих поры, и. невозможность определения дифФеренциальной пористос" ти материалов. Наиболее близким к изобретению,по технической сущности и достигаемому эффекту является способ десорбции жидкостей, включающий водонасыщение образцов, десорбцию над сернойкислотой определенной концентрациипри постоянной температуре и опреде"ление объема пор и характера их распределения при равновесном состоянии.Размер пор и капилляров определяютпо. уравнению Томсона (Кельвина),которое может быть применено для кацтилляров с радиусом от 10 до 0,5;10см 3)бднако капилляры с радиусом большим 10 см не могут быть определены,так .как давление насыщенного паранад мениском капилляра практическиравно давлению насыщенного пара надплоской поверхностью жидкости.Укаэанный диапазон измерений способом десорбции жидкостей охватывает небольшую область пор строительных Материалов. Пористые строитель ные материалы, полученные путем обжига или гидратационного твердения вяжущих веществ, имеют все поры в диапазоне 10 "- 0,5 10 см. С точки зрения определения основных свойств ма-, ЗО териалов имеют значение поры с раэ 4) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА9112 З 7 Т а б л и ц а 1 го 16 18 7,68 7,25 6,83 б, 4.2 Таблица 2 104 Кай видно из табл. 1 и 2, при изменении максимальной температуры на16 С"коэффицивт ,. изменяется на 65 78, а при изменении Тна б СВ мерами 10 - 10 см, которые методом десорбции жидкостей не определяются,Кроме того, значение радиусов пор, получаемых по формуле Томсона (Кельвина) в зависимости .от упругости пара, надо считать грубо ориентировочными.ТакимобразЬм,недостатком этого способа является небольшой диапазон измерений размеров пор.Цель изобретения - расширение диапазона измерений.Поставленная цель достигается тем, что. согласно способу определения капиллярно-пористой сруктуры материала, заключающемуся в водонасыщении материала и сушке, насыщают водой две равновесные пробы, после чего одну из проб выдерживают над 50-55- ной серной кислотой до постоянного веса при 20 й 0,5"С, а затем водонасыщенную и высушенную.иад серной кислотой пробы раздельно подвергают сушке при равномерном подъеме температуры от 20 до 120 С с одновременной регистрацией массы и температуры высушиваемых проб и определяют раз мер пор по формулеИЫТ%где г - радиус поры, см;Т - температура высушиваемых 30и - коэффициент, учитывающийколичество молекул неиспарившейся воды в наименьшихкапиллярах,соразмеримых с 35величиной пА6 - диаметр молекулы воды(3 х 10 см)уК- коэФФициент, зависящий отусловий сушки образцов, а 4 робъем пор определяют путемвычитания данных измеРениямассы двух равновесных проб.По предлагаемому способу образцы материала водоиасыщают под вакуумом и разделяют на две равныв части.Од" ну часть образцов хранят в воде, а вторую выдерживают над серной кислотой до постоянного веса. После этого, водонасыщенные образцы, а затем высушенные над серной кислотой, помещают в печь высокочувствительиой термовесовой установки, в которой име" ется возможность автоматического рв" гулирования режима подъема температуры в широких пределах. В процессе И сушки материала запйсывают 1 зависимости потери массы от температуры высу-шиваемого материала. Полученные дан ные для водонаоыщенного материала и высушенного над кислотой вычитают и Щ с учетом объемного веса материала определяют объем пор. По формуле рассчитывают размер пор.и строят диффв ренциальные и интегральные кривые пористости материала. формула для расчета размера порполучена на основе прямолинейногохарактера зависимости между 1 цТ и1 ц 2. Аналитический вид зависимостиследующий:цг = а + Ис 1 Т,гдв а и х - коэффициенты пропорццональности.По Физической сущности коэффициент а представляет собой наименьший размер определяемых пор. Обычно эту величину принимают равной 10 см,что близко к размеоч трех молекул воды (по = 0,9 х 10 см). Последнее обусловлено тем, что в более мелких порах свойства воды значительно отличаются и ев перенос существенно затруднен. Приведенные данные и результаты расчетов по уравнению Томсона (КеЛьвина) послужили основанием определения концентрации серной кислоты (50-55), используемой для десорбции влаги из пористого материала.В результате математических преобразований зависимость г - Т принимают следующий вид:Еуг:о+кЕТ, г: - .ЛиТ"Расчетно-экспериментальным методом определено влияние,на коэффициент К некоторых условий сушки пористого материала.Влияние Т;на величину коэффициента 1 при Т,д = 112 ьС показано в таблице 1. Значение при ТС Влияние Т,она величину коэффициента ( при Т, = 20 ОС показано в табл. 2. Значение - ( при Т, С,108 112 116 120 7,55 7,41 7,25 7,08 6,96911237 ючительное количество соединений коллоидного типа. Эти соединения отла- гаются на поверхности пор и кольматируют.их. Коллоидные соединения содержат 6 ольшое количество воды,удерживаемой в промежуточном простраве - гелевых порах, имеющих размеры(менее 10 см. Поэтому после выдерживания проб над серной кислотой вла-га удерживается не только в порах сг С 10 см, но и более крупных, наповерхности которых отлагаются коллоидные соединения. Последнее хорошо подтверждается ходом кривых О наФиг. 1. Кроме того, кривые б характеризуют ошибку известного способа15 термограмм .сушки.По предлагаемому способу можноустранить укаэанную ошибку. путем вычитания приведенных на фиг. 1 дан"ных. Полученные таким образом,реэуль20 тирующие кривые дифференциальной и,интегральной пористости приведенына фиг. 2. Здесь же приведены кривые интегральной пористости (1 и2 ), полученные способом десорбцииб25 жидкостей.Хорошая сходимость результатов,полученных предлагаемым и известнымспособами, является свидетельствомдостоверности зависимости дТ - Гдг.Предлагаемый способ позволяет значительно расширить диапазон измерений,и,в частности, обеспечивает воэмож ность определения характера распределения тех пор, которые определяютводонепроницаемость и мороэостой.кость материалов. Если по известному способу определяется характер распределения пор с г = 0,5 х 10 7-10 см,-7 -Япо предлагаемому - с г = О,бх 10 -10см,40 Характер кривых 2 (фиг. 2), хорошо .согласуется с известными данныфиг. 1,Формула изобретений 60 65 лотой до постоянного веса при 20 изменяется на 1 б,4,Влияние Т;, нарезультаты значительно больше, чемТ . Наименьшую ошибку следует ожидать при Ти = 20 и Тасе = 112 С.Однако для обеспечения возможности испарения адсорбированной воды мономолекулярного слоя Т должно быть не ниже 120 С. На основе этого.следует считать оптимальным интервал 20-120 С.Таким образом, величины, входящиев формулу для расчета размера пор,определяются операциями способа.Величина коэффициента и определяется концентрацией серной кислоты, авеличина коэффициента к в ; интерваломтемператур.Способ осуществляется следующимобразом.Для определения капиллярно-пористой структуры изготовлены обычныйтяжелый бетон (1,) и бетон (2), отличающийся от первого наличием добавкиэолы тепловой электростанции, Иэ ука.занных бетонов изготовлены образцыкубы с размером ребра 10 см. Через28 суток после изготовления бетонные образцы дробили и отбирали зерна растворной части размером 2 -5 мми общей массой 50 гр.Затем, обратные пробы помещали встеклянные емкости с водой в течение2 ч , выдерживали под вакуумом.Насыщенные пробы испытывали предлагаемым и известным (десорбции жидкостей)способами.По предлагаемому способу откаждой пробы отбирали 10 г материала иразделяли на две равные части. Пер, вую часть выдерживали над 50 серной кислотой до постоянного веса, авторую - в воде. Через 10-12 суток,водонасыщенную и выдержанную над серной кислотой пробы раздельно высушивали в печи венгерского дериватографа модели 3428 и записывали кри-.вые изменения массы и температурывысушиваемых проб. Температуру в печи поднимали со .скоростью 0,6 град//мин в интервале 20-120 С,На основе полученных данных производили предварительный расчет объемови размеров пор. Эти данные приведенына фиг. 1, где 1 и 2 - составы бе;тонов, 1 и П - соответственно дифференциальные и интегральные кривые; 0 и б - соответственно водонасыщенные и выдержанные над кислотойобразцы.Кривые с показывают, что нри сушке над серной кислотой вода удерживается в порах с размером 1(Гаем именее. По условию способа влага должна удерживаться только в порах сг10 см, Кажущееся противоречиеобъясняется следующим образом. Пористые материалы, образующиеся впроцессе гидратации вяжущих веществ,(например, цемента), содержат знами об уплотняющем эффекте золы тепловых электростанций эа счет кольма-,тации пор соединениями коллоидноготипа. Наличие таких соединений подтверждается ходом кривых 2 и (Г на Таким образом, предлагаемый способ позволит расширить диапазон измерений ористости материалов на три порядка, повысить надежность получаемых результатов и упростить процессиспытаний. Способ определения капиллярно-.пористой структуры материала, заключающийся в водонасыщении материала и сушке, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью расширения .диапазонаизмерений, насыщают водой две равновесные пробы, после чего одну из пробвыдерживают на 50.-55-ной серной кис+ 0,5 С, а затем водонасыщенную и вы,сушенную над серной кислотой пробы раздельно подвергают сушке при равномерном подъеме температуры от 20 . до 120 С с одновременной регистрацией массы и температуры нысушиваемых проб и определяют размер пор по фор- МУЛВф кгде" радиус поры, см 1Т - температура высушинаемыхпроб, СИ - коэффициент,учитывающий количество молекул неиспарившейся воды в наименьших ка-.йиллярах,соразмеримыхс величиной иК0 - диаметр молекулы ноды(3 х 10 см.) 1 К - коэффициент, зависящий отусловий сушки образцов, аобъем пор определяют путемвычитания данных изменениямассы двух равновесных проб,5 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Бергман А,С,. и др. Структураи морозостойкость материалов. М-Л,Госстройиздат, 1962, р.30-47.1 О 2. Казанский М.Ф. Анализ форм связи влаги пористЫх адсорбентов припомощи термограмм сушки. Коллоидныйжурнал, т.Х 1 Х, вып.б, 1957, с.бб 2667.3. Хигерович М.И. и др. Физикохимические и физические методы ис-.следования строительных материалов.М., 1 Высшая школаф,1968, с. 99101(прототип)/26 Тираж 88 НИИПИ Государственн по делам изобретен 5, Москва, Ж, Ра комитета СССРи открцтийкая наб., д.4/5