Плотность Кирпича

Структурно-физические свойства кирпича определяются параметрами его физического состояния и структуры. Они характеризуют вещество и структуру кирпича как физического тела, а также способность реагировать на внешние воздействия, не вызывающие изменения его химического состава и структуры.

Показатели плотности имеют важное значение при производстве стройматериалов, достаточно сказать что это один из параметров, при несоответствие которого, станки для кирпича и плитки отбраковывают изделия. 

Плотность кирпича - это величина, определяемая отношением массы кирпича к занимаемому им объёму, т.е. масса единицы объёма материала:

ρ=m/V,

где m - масса, кг (г); V – объем, м3 (см3).

Размерность плотности - кг/м3, г/см3, т/м3.

Вообще плотностью близкой к теоретической (максимальной) обладают металлы, жидкости, стекло, некоторые полимеры и пластмассы. Однако большинство строительных материалов, в том числе и кирпич, в большей или меньшей степени имеют пористое строение, т.е. помимо твёрдого вещества в нем находятся ячейки (поры), заполненные воздухом. Плотность таких материалов ниже плотности твёрдого вещества. Поэтому различают истинную, среднюю и насыпную (для сыпучих или зернистых материалов) плотность, а также плотность зёрен сыпучих материалов (чаще всего крупных заполнителей для бетона). Для лучшего усвоения и более глубокого физического понимания, плотность строительных материалов часто сравнивают с плотностью воды, равной 1,0 г/см3 при 4°С.

Истинная плотность или плотность вещества (абсолютная плотность) - масса единицы объёма материала в абсолютно плотном состоянии. Это значит, что при измерении объёма в него не входят поры, пустоты, трещины и другие полости, присущие материалу в естественном состоянии:

ρ_и=m/V

Следовательно, истинная плотность - это характеристика не самого кирпича, а вещества, из которого состоит кирпич. Для определения истинной плотности, материал предварительно измельчают в тонкий порошок до тонкости 0,25 мм, чтобы при определении объёма исключить поры. Масса порошка определяется взвешиванием, а объём в абсолютно плотном состоянии (V_А) - в пикнометре или приборе Ле Шателье по объёму вытесненной жидкости.

Истинная плотность материала - характеристика постоянная (физическая константа), которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Для большинства строительных материалов значение истинной плотности более 1 г/см3. Например, для природных и искусственных каменных материалов - 2,2...3,3 г/см3; для органических (дерево, битум, пластмассы) - 0,8...1,6 г/см3; черных металлов - более 7,0 г/см3. Для жидкостей и материалов, полученных из расплавленных масс (металл, стекло, некоторые горные породы: гранит, базальт и др.), истинная плотность практически соответствует их плотности в естественном состоянии, так как объем внутренних пор у них незначителен.

Для строительных материалов истинная плотность имеет вспомогательное значение. Её используют при вычислении показателей плотности и пористости материалов, в расчетах состава бетона и т.п.

Средняя плотность (плотность материала, кажущаяся плотность) - масса единицы объёма материала в естественном состоянии, т.е. объем материала измеряется вместе с имеющимися в нем порами и пустотами. Рассчитывается средняя плотность путем деления массы образца m на его объем V_Е

ρ_с=m/V

При определении средней плотности, объём материала устанавливают по внешним размерам образца или по объёму вытесненной им жидкости, если испытываемый образец имеет неправильную форму.

Средняя плотность материалов не является величиной постоянной и в зависимости от их вида и структуры может изменяться в достаточно широких пределах - от 10 кг/м3 (для отдельных видов пенопластов, мипоры и др.) до 7850 кг/м3 (сталь) и более. Численное значение средней плотности для одного и того же вида материала может быть тоже различным в зависимости от количества пор и пустот в нём, т. е. изменяя структуру и пористость, можно получать материалы требуемой плотности. Например, с изменением пористости плотность ячеистых бетонов может изменяться в пределах от 350 до 1200 кг/м3, плотность керамического кирпича - от 1200 до 1900 кг/м3.

У подавляющего большинства строительных материалов (пористых) величина средней плотности всегда меньше истинной, так как на одну и ту же единицу массы приходится больший объем. Например, у кирпича соответственно 1800 и 2600 кг/м3 (в 1,5 раза меньше), древесины (сосна) - 450 и 1540 кг/м3 (в 3 раза меньше), гранита - 2500...2700 кг/м3 и 2700...3000 кг/м3, т.е. почти одинакова. Разница между ними тем больше, чем больше пористость. Если у кирпича пористость составляет 30%, то у газобетона - 80%, при истинной плотности 2600 кг/м3 и средней - 500 кг/м3.

Численные значения средней и истинной плотности вещества совпадают, когда материал не имеет пор, т.е. для абсолютно плотных материалов. Например, металл, стекло и др. Для сравнения ниже приведены значения истинной и средней плотности отдельных видов строительных материалов: Материал - Плотность истинная в кг/м3 / Плотность средняя (насыпная) в кг/м3.

• Сталь - 7850...7900 / 7800...7850
• Гранит - 2700...2800 / 2600...2700
• Мрамор - 2700...2730 / 2600...2700
• Бетон тяжёлый - 2600...2900 / 2200...2500
• Бетон ячеистый - 2500...2600 / 350...1200
• Кирпич полнотелый - 2600...2700 1700...1900
• Кирпич пустотелый - 2600...2700 1450...1600
• Древесина сосны - 1540 / 450...500
• Древесина дуба - 1540 / 700
• Пенополистирол - 1000...1200 / 50...150
• Песок - 2500...2600 / (1500...1700)
• Гравий - 2500...2600 / (1500...1700)
• Щебень - 2600...2700 / (1350...1450)
• Керамзит - 2650 / 350...600
• Цемент - 3050...3150 / (900...1300)
• Пеностекло - 2500 / 200...400

В большинстве своём (за исключением кварца, металлов, стекла и битума) материалы имеют пористое строение. Воздух, находящийся в порах материала, значительно хуже проводит тепло, чем твёрдое вещество. Поэтому по численному значению средней плотности можно в первом приближении судить о теплопроводности материала. Хотя при строительстве отапливаемых зданий толщина их наружных стен рассчитывается в зависимости от теплопроводности материала, но, зная плотность материала, можно приблизительно представить себе, какой должна быть толщина стены.

На среднюю плотность влияет содержание воды в материале, т. е. влажность материала. С увеличением влажности средняя плотность материала увеличивается. Например, средняя плотность сухой древесины (сосны) составляет 450 кг/м3, а влажной может достигать 1000 кг/м3.

Средняя плотность является необходимой характеристикой при расчёте прочности сооружений с учётом собственной массы, для определения стоимости и способа перевозок материалов, для расчёта складов и подъёмно-транспортного оборудования, при переводе количества материала из массовых единиц в объёмные, при расчёте пористости, при подборе состава бетона, дозировке материалов в бетон и т.д. Для некоторых строительных материалов (теплоизоляционных, легких бетонов) средняя плотность является определяющей характеристикой деления их на марки. Например, марка ячеистого бетона D400 показывает, что среднее значение плотности не превышает 400 кг/м3 (СТБ 1570, ГОСТ 25485, 27005 и 31359).

Для сыпучих или зернистых материалов (заполнителей для бетона) характеристикой плотности являются насыпная плотность и плотность зёрен. Насыпная плотность - отношение массы рыхло насыпанных зернистых и порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объёму, включая поры в зёрнах и объём пустот между зёрнами, так называемую межзерновую пустотность. Определяется в стандартных мерных сосудах, выбор объёма (вместимости) которых зависит от вида и величины зёрен сыпучего материала (рис. 1).

Рис. 1. Мерные сосуды емкостью 10, 5, 2 и 1 литр для определения насыпной плотности заполнителей

Насыпная плотность сыпучих материалов величина непостоянная и зависит не только от пористости самих зёрен и межзерновой пустотности, но и от степени их уплотнения и влажности. В уплотнённом состоянии насыпная плотность таких материалов всегда больше, чем в рыхло насыпном, с повышением влажности плотность их (за исключением песка) тоже повышается.

Зависимость насыпной плотности песка от его влажности показана на графике (рис. 2). Насыпная плотность сухого песка в зависимости от его минералогического состава составляет 1500...1700 кг/м3. С увеличением влажности до 6...7 % насыпная плотность песка уменьшается до 1250...1350 кг/м3. Объясняется это тем, что при увлажнении песок комкуется (зерна слипаются в отдельные агрегаты, комки), образуется рыхлая структура, увеличивается межзерновая пустотность, соответственно увеличивается и объём. При влажности песка 3...5% его объём увеличивается на 20...30%. Наибольшее разрыхление песка происходит при влажности 6...7%. При дальнейшем увлажнении песка вода попадает в пустоты между зёрнами, воздух вытесняется, и при неизменном объёме песка его масса увеличивается, а, следовательно, увеличивается и насыпная плотность. Изменения насыпной плотности песка с изменением влажности необходимо учитывать при дозировке составляющих бетона по объёму.

Рис. 2. Зависимость насыпной плотности песка от его влажности

Плотность зёрен заполнителя - отношение массы пробы сухого заполнителя к суммарному объёму его зёрен, т.е. без объёма межзерновых пустот, но с учётом пор, содержащихся в зёрнах заполнителя. Например, истинная плотность гранитного щебня составляет 2700 кг/м3, плотность зёрен - 2600 кг/м3, а насыпная плотность - 1450 кг/м3 . При определении плотности зёрен заполнителя, их объём устанавливается путём гидростатического взвешивания навески заполнителя (рис. 3). Методика гидростатического взвешивания основана на законе Архимеда, согласно которому на погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме тела.

Отношение средней плотности материала к истинной (ρ_с/ρ_и) - называют показателем плотности или относительной плотностью. Выражается в долях единицы или в процентах от объёма материала, т.е. показывает степень заполнения объёма материала плотным веществом. Чем меньше разность между численными значениями средней и истинной плотности, тем выше значение показателя плотности материала. Например, плотность кирпича: 1800/2600=0,7 или 70%, гранита: 2600/2700=0,97 или 97%. Для абсолютно плотных материалов показатель плотности равен 1,0 или 100%.

Рис. 3. Весы для гидростатического взвешивания

По плотности строительные камни классифицируются на:

• легкие (с плотностью до 2200 кг/м3), которые сравнительно просто поддаются машинной распиловке;
• тяжелые (с плотностью более 2200 кг/м3).

Плотность зависит от минералогического вещественного состава и пористости породы.

Пористость породы, используемой в качестве сырья для производства кирпича, является одной из важнейших качественных характеристик. Общая пористость определяет прочностные и упругие параметры, теплопроводность, полируемость, обрабатываемость, декоративность, долговечность, сцепление с различными вяжущими и ряд других качественных показателей. С повышением общей пористости снижаются упругие и прочностные характеристики породы, ее объемная масса, ухудшается полируемость камня, уменьшается вес изделий, улучшается обрабатываемость.

Так, по данным НПО «Камень и силикаты», для пород группы базальтов с общей пористостью 9-23% существует прямолинейная корреляционная зависимость между пределом прочности породы при сжатии и общей пористостью.

Горные породы по пористости Po классифицируются на:

• низкопористые (Po<5%);
• среднепористые (5%<Po< 20%);
• высокопористые (20%<Po<40%);
• весьма высокой пористости (Po>40%).

Пористость бывает открытая и закрытая, последняя практически не влияет на долговечность изделий. Сами поры по своим размерам подразделяются на субкапиллярные с радиусом менее 0,1 мкм, капиллярные - радиусом от 0,1 до 1,0 мкм и сверхкапиллярные радиусом более 1 мкм. Наличие субкапиллярных и капиллярных пор увеличивает водопоглощение, снижает долговечность камня, являющуюся одной из его главных качественных характеристик.

Больше информации про данную характеристику Вы можете получить в статье Пористость и пустотность кирпича.