§ 2. Структурные характеристики

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость П есть степень заполнения объема материала порами:

Пористость выражают в долях от объема материала, принимаемого за 1, или в % от объема.

Экспериментальный (прямой) метод определения пористости основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием или другой средой и описан выше.

Экспериментально-расчетный метод определения пористости использует найденные опытным путем значения плотности и объемной массы высушенного материала (р и у), входящие в формулу для вычисления пористости (в %)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах: от 0 до 98% (табл. 2).

Коэффициент плотности кпл — степень заполнения объема материала твердым веществом:

Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой, поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения, например при погружении образцов материала в ванну с водой. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость.

Закрытая пористость П3 равна:

Пористый материал обычно содержит и открытые, и закрытые поры; увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Однако в звукопоглощающих материалах и изделиях умышленно создается открытая пористость и перфорация, необходимые для поглощения звуковой энергии.

Рис. 2. Интегральные кривые распределения пор по радиусам (пунктиром показана кривая гистерезиса)

Распределение пор по размерам характеризуется: а) интегральной кривой распределения объема пор по их радиусам в единице объема материала (рис. 2); б) дифференциальной кривой распределения объема пор по их радиусам (рис. 3).

Рис.3. Дифференциальная кривая распределения пор по радиусам

Ртутная порометрия позволяет определить размер (радиус) пор и объем пор каждого размера, а также оценить форму пор. Ртуть не смачивает большинство неорганических строительных материалов и проникает в поры лишь под действием приложенного давления; при повышении давления ртуть будет проникать во все более мелкие поры, что видно из следующего уравнения:

где Р — прилагаемое давление; d — диаметр пор; а — поверхностное натяжение ртути; 0 — краевой угол смачивания ртути и анализируемого материала.

Уравнение показывает, что при нулевом избыточном давлении несмачивающая жидкость не будет проникать в поры. Диаметр пор для определенного давления получают из приведенного уравнения, правая часть которого для данного материала величина постоянная.

Рис.4. График зависимости между давлением ртути (в поромере) и размером пор

На рис. 4 приведено соотношение между давлением и диаметром лор.

Интегральные кривые распределения пор по их размерам приведены на рис. 2 для четырех различных материалов: по оси х отложены радиусы пор, а по оси у — объем пор данного размера (он равен объему заполняющей их ртути). Кривая / характерна для материалов с большим объемом крупных пустот размером более 10 мкм. Гистерезис (на кривой 1) показывает, что поры имеют «бутылочную» форму и некоторый объем ртути в них остается после снятия давления. Кривая 2 получена для порошка с большим объемом пустот (4 — 6 мкм) между зернами. Наоборот, для материала 3 характерна мелкая пористость. Кривая 4 характерна для материала с однородной структурой с порами 0,02 — 0,04 мкм.

В современных поромерах измерение пористости автоматизировано, и результат выдается в готовом виде в цифровой и графической формах.

Дифференциальная кривая распределения объема пор Va по их размерам (см. рис. 3):

где — тангенс угла наклона касательной к интегральной кривой.

Площадь под дифференциальной кривой (на рис. 3 заштрихована) равна суммарному объему пор в единице объема материала.

Удельную поверхность порового пространства вычисляют, используя средний условный радиус пор, или определяют прямыми адсорбционными методами (по адсорбции водяного пара, азота и другого инертного газа).

Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористости. Это видно из данных табл. 2, в которой попарно сопоставлены плотные и пористые материалы, имеющие в основном общий химический состав.