ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Определение пористости

Главной особенностью строения теплоизоляционных материалов является высокая пористость, определяю­щая их основные физико-механические свойства. Для многих из этих материалов большое значение имеет Характер пористости (вид и строение пор) или так на­зываемая пористая структура материала, которая в за­висимости от вида пор может быть ячеистой, зернистой, волокнистой, пластинчатой, сотовой и смешанной.

Для материалов волокнистого и пластинчатого строе­ния, так же как и смешанного, определение размеров пор и, тем более, характера их распределения в мате­риале весьма затруднительно. Такие материалы, как минеральная вата и изделия из нее, изделия с приме­нением асбеста и растительных волокон, как правило, характеризуются только общей пористостью, величина которой в отдельных случаях может достигать 95— 97%.

Зернистое строение пористости характерно для сы­пучих теплоизоляционных маетриалов. Общая пори­стость таких материалов выражается суммой межзерно­вых пустот и собственной пористости зерен. Величина межзерновой пустотности зависит от гранулометрии зерен материала. При сферической или близкой к ней форме зерен наибольшую пустотность имеет материал с зернами одинакового размера (до 48%).

Основные свойства теплоизоляционных материалов ячеистого строения (ячеистых бетонов, пеностекла, пе - нокерамики и т. п.): средняя плотность, прочность, теп­лопроводность, водопоглощение, морозостойкость, тер­мическая стойкость определяются не только величиной общей пористости. Для этой группы материалов важ­Ное значение имеет величина пор, их характер и рас­Пределение по размерам.

В материалах пористого строения различают истин­ную пористость и кажущуюся (открытую пористость).

Истинной пористостью (Я0) материала называют степень заполнения его объема порами.

Кажущаяся пористость — это отношение объема, занятого в материале порами, сообщающимися между собой и с атмосферой, к объему материала.

Таким образом, сумма открытых и закрытых пор Дает значение истинной пористости данного материала. Обычно истинную пористость выражают в процентах:

Яо = (і—^)Ю0,

Где рСр — средняя плотность материала; р — истинная плотность материала (без учета пор и пустот).

Существует ряд способов, позволяющих количествен­но определять как общую пористость материалов, так и ее характер. Наибольшее распространение получили способ водонасыщения, с помощью которого определяют кажущуюся пористость, ртутная порометрия, оптический и фотоэлектронный методы.

Определение кажущейся пористости теплоизоляци­онных материалов производят одним из следующих спо­собов: а) насыщением пор образца испытуемого мате­риала водой или керосином под вакуумом; б) насыще­нием пор образца материала водой при кипячении.

Выбор методики зависит от природы испытуемого материала, а также от наличия соответствующего обо­рудования. При наличии необходимого оборудования во всех случаях определение кажущейся пористости реко­мендуется производить способом насыщения жидкостью (водой или керосином в зависимости от реакционной способности испытуемого материала к воде) под ва­куумом.

Образцы объемом не менее 100 см3 тщательно очи­щают жесткой волосяной щеткой, высушивают до по­стоянной массы при температуре 105'—110° С и взвеши­вают с точностью до 0,1 г. Затем образцы помещают в вакуум-эксикатор (рис. 11), представляющий собой гер­метическую емкость 3, имеющую выходной патрубок 5, С помощью которого емкость присоединяется к вакуум - Насосу, и отверстие 2 для заливки жидкости.

Емкость соединена с вакуумметром 4t который слу­жит для контроля разрежения и имеет водомерное стекло 1 для замера уровня жидкости.

Образцы устанавливают на сетчатую подставку 6 и вакуумируют в течение 10 мин при остаточном давле-

Нии 0,02—0,03 Па. После этого под вакуумом образцы постепенно заливают жидкостью и выдерживают в ней. в течение 5 мин. Уровень жидкости должен быть на 2 см выше поверхности испытуемых образцов. После окончания опыта сосуд отключают от насоса с помощью клапана и соединяют с атмосферой. Образцы выни­мают, вытирают их поверхность влажной мягкой тканью и взвешивают вначале на воздухе, а затем на гидро­статических весах. Поры считают насыщенными, если в течение 1 ч выдерживания образцов в жидкости при гидростатическом взвешивании их масса увеличится не более чем на 0,1 %.

При определении кажущейся пористости материала методом кипячения в воде образцы, высушенные до постоянной 'массы и взвешенные с точностью до 0,1 г, помещают в сосуд с водой таким образом, чтобы уро­вень воды был на 2 см выше уровня верхней поверхно­сти образцов. Образцы выдерживают в кипящей воде в течение 3 ч, после чего их охлаждают до температуры 20—30° С, вынимают из воды, удаляют воду с поверхно­сти мягкой тканью и взвешивают на воздухе и на гид­ростатических весах.

Кажущуюся порйстбстЬ в обоих случаях вычисляю! (%)

(т2— тг)

Где ту — масса образца до насыщения водой; ni2 — мас­са образца после насыщения водой (жидкостью) при взвешивании на воздухе;' т3 — масса образца после на­сыщения при гидростатическом взвешивании.

При отсутствии гидростатических весов объем образ­ца (знаменатель дроби в вышеприведенной зависимо­сти) правильной геометрической формы можно опреде­лить непосредственным замером, который производят по методике, приведенной в § 4 настоящей главы.

Обычно кажущуюся пористость определяют одновре­менно с водопоглощением данного материала. Величина кажущейся пористости — это объемное водопоглощение • материала.

Следует помнить, что определять кажущуюся пори­стость методом кипячения можно лишь в том случае, когда структура испытуемых материалов от этого не нарушается. Этот метод непригоден для таких материа­лов, как минераловатные изделия на битумном связую­щем, древесноволокнистые плиты, доломитовые, совели - товые и вулканитовые изделия.

Измерение поверхностной пористости и размеров пор На фотоэлектронной установке. Данный способ разра­ботан в МИСИ им. В. В. Куйбышева. Он позволяет быстро и с достаточной точностью получать характери­стики пористости материалов с ячеистым строением с помощью специальной фотоэлектронной установки (рис. 12). Сущность метода заключается в следующем. Поверхность высушенного до постоянной массы образ­ца шлифуют и окрашивают контактным способом белой матовой эмалью. Затем поверхность образца покрывают тонкодисперсной голландской сажей, которая при этом забивает все поверхностные поры шлифа. После этого сажу смывают с поверхности образца водой. Таким образом, все внутренние поверхности пор оказываются окрашенными в черный цвет, а поверхности стенок пор ■— в белый цвет.

Принцип работы установки основан на измерении светового потока, отраженного от поверхности шлифа. Величина светового потока зависит от соотношения чер­
Ных (пор материала) и белых (стенок пор) участков поверхности образца. Если обозначить объем части образца, находящейся вблизи рассматриваемого сече-

1 — оптическая система; 2 — свето­фильтры; 3, 4 — фотоумножитель в светонепроницаемом кожухе; 5 — выпрямитель; 6—микроампермегр; 7 — пересчетное устройство; ос­ветитель; 9 — диафрагма; 10 — ис­пытуемый образец,; И — предмет­ный столик

Ния, через V, а объем пор, находящихся в данной ча­сти образца, Уь то общая пористость материала, %:

Fj0=lLm.

Фотоэлектронная установка состоит из стереоскопи­ческого микроскопа МБС-2, фотоумножителя, пересчет­ного электронного прибора ПС-10000. Образец испытуе­мого материала, подготовленный указанным выше спо­собом, помещают на подвижный столик микроскопа под систему диафрагм с отверстиями различных размеров, предназначенных для ограничения рассматриваемого
участка исследуемого образца. Вместо одного из оку­ляров микроскопа устанавливают специальную оптиче­скую систему, связанную с фотоумножителем. При про­хождении части отраженного от образца светового по­тока - в фотоумножителе возникают импульсы, регистри­руемые пересчетным устройством. Зная площадь шли­фа, ограниченную диафрагмой, и имея данные об отра­женном световом потоке, по системе уравнений подсчи­тывают общую пористость образца. Обычно к фотоэлек­тронной установке прилагается тарировочный график, позволяющий, не решая системы уравнений, непосред­ственно определять общую пористость материала и раз­мер отдельных пор. В связи с тем, что световой поток, попадающий в пересчетный прибор, линейно зависит от площади отражающей поверхности, то для построения тарировочного графика достаточно иметь две точки, определенные по величине светового потока, отражен­ного только от белой и только черной поверхностей, площадь которых заранее известна.

Определение размеров пор производят на тех же образцах, на которых измерялась общая пористость ма­териала. Для этого на поверхности шлифа соответству­ющим подбором диафрагмы выделяют отдельную пору и определяют величину светового потока для участка поверхности, ограниченного отверстием диафрагмы. Диа­фрагму накладывают таким образом, чтобы ее отверстие ограничивало участок поверхности, включающий одно данное сечение поры и окружающий ее белый фон.

Исследование пористости микроскопическим спосо­бом. Определение характера пористости материала под микроскопом отличается большой трудоемкостью. Одна­ко из всех существующих этот способ является единст­венным, позволяющим судить не только о распределе­нии пор в материале по размерам, но и о их форме.

При проведении опытов по изучению пористости обычно пользуются микроскопами МБС-2 и МБ-9, а так­же фотоустановкой ФМ. Н-2.

• Количественное определение размеров пор и харак­тера их распределения в материале при применении одного из типов микроскопа сводится к следующему. Испытуемый образец после распиловки и продувки по­верхности помещают на предметный столик микроскопа и хорошо освещают. Кратность увеличения оптической системы микроскопа принимают в зависимости от наи­меньшего диаметра пор испытуемого материала. Для исследования пористости ячеистого строения обычно применяют объектив с 7—8-кратным увеличением и оку­ляр с увеличением в 10—12 раз.

В окуляр вставляют стеклышко с сеткой, цена деле­ния которой известна. Перемещением предметного сто1 лика микроскопа в горизонтальной плоскости на образце выбирают участок с наиболее характерной для данного материала структурой. На выбранном участке с по­мощью сетки определяют размеры не менее 200 пор. Для удобства подсчета каждую пору после определения ее размеров закрашивают тушью или чернилом с по­мощью иглы или тонкого пера. По полученным данным строят диаграмму распределения пор по размерам и подсчитывают средний диаметр пор данного образца.

Для определения структурной пористости материала более удобно пользоваться фотоустановкой ФМН-2 (рис. 13). Установка состоит из зеркальной фотокаме­ры 2, перемещаемой по штанге 1 и соединенной посред­ством гармошки 3 через затвор 4 с объективом 5. Вся система укреплена на станине 6. Полый стол 8 ста­нины позволяет работать и с прозрачными шлифами, которые освещаются источником света 7 через систему зеркал.

При работе в отраженном свете подготовленный образец помещают на предметный столик установки и хорошо освещают. Подбором соответствующих объек­тивов, а также перемещением низа и верха гармошки по штанге прибора добиваются четкого изображения структуры рассматирваемого образца при необходимой степени его увеличения. Если необходимо более сильное увеличение, то объектив установки заменяют тубусом, который соединен с окуляром обычного микроскопа. В этом случае микроскоп закрепляют на столе уста­новки таким образом, чтобы его окуляр был соединен с тубусом установки. Для определения размеров пор образца на экране зеркальной камеры закрепляют сет­ку, размер ячеек которой известен.

Установка позволяет фотографировать структуру исследуемых образцов, что в значительной степени облегчает подсчет пористости и определение размеров пор. Однако необходимо помнить, что при обработке фотоснимков возникает некоторая неточность, так как при фотографировании размер пор получается несколь­ко искаженным. Подсчитанные по фотографиям данные пригодны лишь для сравнительной характеристики при­мерно одинаковых структур.

Математическая обработка экспериментальных дан­ных. Важнейшим показателем результатов проведенного эксперимента является средняя арифметическая резуль­татов отдельных опытов. При помощи этой средней арифметической можно получать сводные статистиче­ские характеристики, необходимые для изучения и ана­лиза различных свойств исследуемого материала.

Средняя арифметическая — это тот предел, около которого группируются отдельные значения наблюдае­мых и изучаемых характеристик. Средняя арифметиче­ская— частное от деления суммы значений какого-либо признака на число элементов совокупности. В статисти­ке средняя арифметическая обычно обозначается через X, отдельные значения признака (или частные резуль­таты опыта) —через xi, х% и т. д., а общее количе­ство признаков (или количество опытов)—п. Таким образом

П п

Обычно при подсчете средних размеров пор материа­ла, да и вообще средних значений любых свойств, при значительном количестве экспериментов размер каждой поры в отдельности не замеряют, а подсчитывают ко­личество пор в каком-нибудь определенном интервале размеров, например от 0 до 0,5 или от 0,5 до 1,0 мм и т. д. Значение признака (размер пор), соответствую­щее каждому отдельному интервалу, называется вари­антом (xi, хг, х3 и т. д.), а абсолютная численность — весом соответствующего варианта (Tnu т2, т3,...). Сле­довательно, сумма значений признака в пределах интер­вала равна произведению варианта на его вес В этом случае формула средней величины, называемой средневзвешенной, имеет вид

— 2 Х1 т1 Л = -- '

2J тг

Т. е. средневзвешенная арифметическая величина равна сумме произведения вариантов на их веса, разделенной на сумму весов.

Если вес варианта т отнести ко-всей совокупности Весов Ът, то получим величину, называемую частностью Ы. Для варианта Xt имеем ы = т^пги

В вариантном ряду каждому значению признака (или каждому интервалу) соответствует определенная частность. Следовательно, ее можно рассматривать как функцию значения признака.

Допустим, что в результате опытов получено сле­дующее распределение пор по размерам (т. е. следую* щий вариантный ряд):

Для наглядного изображения вариаци­онного ряда обычно пользуются графиком (рис. 14). На оси абс­цисс откладывают зна­чения признака (диа­метр пор), а на оси ор­динат — его частность. Для того, чтобы пока­зать, что частность от­носится ко всему ин­тервалу, она изобра­жается прямоугольни­ком, основание которого равно ширине интервала, а вы­сота — соответствующей частности. Такое графическое изображение называют гистограммой.

Допускается, что все поры, попавшие в один интер^- • вал, имеют одинаковое значение признака (одинаковый размер). Соединив точки середин интервалов, получают ломаную линию, называемую полигоном.

Средние значения диаметра пор не могут достаточно Полно характеризовать структуру материалов. В самом

Деле, если два образца ячеистого бетона имеют одина­Ковый средний диаметр пор, но размер пор одного из Них колеблется в пределах от 0,1 до 1,8 мм, а другого — от 0,08 до 4,5 мм, то очевидно, что пористая структура Этих образцов различна.

Для более точной характеристики пористой струк­туры материала иногда кроме среднего диаметра пор подсчитывают размах варьирования R, равный разнице между наибольшими (хнаиб) и наименьшими (хНаим) зна­чениями признака. В приведенном выше примере раз­мах варьирования соответственно равен 1,7 и 4,42 мм.

Но величины размаха варьирования и среднего диа­метра пор также недостаточны для полной характери­стики пористой структуры того или иного материала. Достаточно полной характеристикой структуры мате­риала являются два показателя: средний диаметр пор и среднее квадратичное отклонение, которое в статисти­ке характеризует разброс значений величины признака (в данном случае диаметра пор).

Среднее квадратичное отклонение, часто называемое стандартным отклонением, обычно обозначают через б:

Если вариация признака представлена в виде вариан­тов хи х2, х3,... с весами Ти Tn2, Отз»—, то стандартное отклонение

(Х—Х)2 Ті

Величина стандартного отклонения зависит от нерав­номерности распределения пор и от их размеров. При увеличении диаметра пор стандартное отклонение воз­Растает. Как показывает опыт, во многих случаях по Величине стандартного отклонения можно судить о ка­честве ячеистых материалов. Как правило, материал, характеризующийся меньшим стандартным отклонением, имеет более высокие технические свойства.

Часто при сравнении графиков распределения пор по их размерам возникает необходимость определить меру скошенности кривой распределения в ту или иную Сторону относительно вертикальной оси симметрии.

Если сравнивают две кривые, у которых интервалы диаметров одинаковые, то такой анализ можно прове­сти непосредственно по графику. Если же при опреде­лении размеров пор у нескольких образцов интервалы диаметров пор были приняты разными, то наличие боль­шего количества мелких и крупных пор у сравниваемых образцов непосредственно по графикам определить нельзя, так как их смещение от оси симметрии зависит от выбранного интервала. Поэтому, чтобы не впасть в ошибку при статистической оценке ряда распределения, необходимо вычислить меру асимметрии, т. е. показа­тель скошенности ряда в ту или иную сторону, назы­ваемый в статистике коэффициентом асимметрии. Не­зависимо от границ интервала коэффициент асиммет­рии будет оценивать форму кривой по непосредствен­ным данным замеров.

В основу подсчета этого коэффициента положено среднекубическое отклонение, которое дает возмож­ность более полно учитывать крайние значения вариан­тов. При наличии асимметрии одна сторона кривой даст большее кубическое отклонение, чем другая.

Коэффициент асимметрии определяют по формуле

253 » 253/п А — ~— или А —

П В3 2 й53 '

Где п — число случаев во всей совокупности; m — час­тота данного варианта в интервале; б3 = (X— X)3.

Математическая статистика позволяет не только более полно характеризовать отдельные свойства мате­риала, но и устанавливать количественно связь между этими свойствами. Известно, например, что существует связь между средним диаметром пор и средней плот­ностью ячеистого бетона. При одном и том же способе производства с увеличением средней плотности газо - или пенобетона средний размер пор уменьшается. Сила свя­зи между данными свойствами количественно может быть выражена коэффициентом корреляции (г):

Y(X-X)(Y-Y)

Г=

У2(Х-Х)2(Г-Г)2

Где X и У — частные значения средней плотности мате­риала и среднего диаметра пор; X — среднее значение

2-541 33 Среднего диаметра пор для данной средней плотности рассматриваемого материала; У — среднее значение средней плотности данного материала при данном сред­нем диаметре пор.

Связь между свойствами материала считается силь­ной, если коэффициент корреляции больше 0,7, средней при 0,3 < г < 0,7, слабой, если г < 0,3. При достаточно сильной связи можно по свойству материала, определе­ние которого менее трудоемко (по величине средней плотности), сделать вывод о примерной количественной величине другого свойства (в данном случае о среднем диаметре пор).

Пример исследования пористой структуры ячеистого бетона. Допустим, что требуется исследовать пористую структуру двух материалов: газобетона, полученного по обычной технологии, и газобетона, изготовленного мето­дом вибровспучивания. Средняя плотность обоих мате­риалов одинаковая и равна 900 кг/м3. Для исследования пористой структуры образцов данных материалов при­меняют микроскоп МБС-2 с объективом 7 и окуляром

12,5.

А. Определяем общую пористость материалов, для чего, пользуясь методикой, изложенной в § 4 настоящей главы, измеряем плотность и среднюю плотность иссле­дуемых материалов. Полученные значения подставляем в формулу для определения общей пористости и подсчи­тываем ее величину для обоих видов ячеистого бетона

(%)

Б. Исследуем пористую структуру образцов обоих видов газобетона. С этой целью подготавливаем образ­цы, распиливая их в плоскости, перпендикулярной плос­кости формования, шлифуя и продувая ' поверхность распила сжатым воздухом.

В окуляр микроскопа вставляем стеклышко с сеткой И определяем цену деления сетки с помощью объект - микрометра— специального стеклышка с линейкой, цена делений которой известна. Объект-микрометр уста­навливаем на предметный столик микроскопа и доби­ваемся четкого изображения делений линеечки и сетки. На условном интервале «а», границы которого опреде­ляют совпадением делений объект-микрометра и сетки

Окуляра, подсчитываем количество делений объект - микрометра т и сетки окуляра п. Цена деления сетки

.__ Nm,

I — , П

Где Лг —цена деления объект-микрометра.

После определения цены деления сетки окуляра уста­навливаем на предметный столик микроскопа подготов­ленный образец и хорошо его освещаем. На выбранном участке поверхности образца подсчитываем количество пор в интервалах от 0,1 до 1, от 1 до 2 и т. д. делений сетки окуляра (интервал размеров выбирают в зависи­мости от цены деления сетки; обычно этот интервал принимают близким к 0,2 мм).

Допустим, что при микроскопическом исследовании образцов из обычного газобетона и газобетона, получен­ною по вибрационной технологии, были получены сле­дующие результаты:

По полученным данным подсчитывают характери­стики пористости данных материалов.

А. Средний диаметр пор —

К-= Xі і 2jni

Где Xi — среднее значение интервала, мм; т,- — количе­ство пор в интервале.

Подставив числовые значения в формулу, получим для обычного газобетона

- = 0,1-8 +0,3-18 +0,5-32 +0,7-36 +0,9-30+1,1-21+,..+2,5-2_ 1 • 8 + 18 +32 +36 + 30 +21 + ... +2 ~

= 0,92 мм;

2* 35

Для вибрированного газобетона

- ___ 0,1 -84+0,3-62+0,5-30+0,7-12+0,9-6+1,1-4+1,3-2

—------------------

84 +62 +30 +12 +6 +4 +2 б. Среднее квадратичное отклонение

8 — | /(0.1-0.82)28 +(0,3-0,92)218+...+(2,5-0,92)22

1 У 8 + 18 +32 +36 +30 + 21 + 18 +...+4 +2

Для вибрированного газобетона

8 = 1 / (0,1~'3'2&)284+(°'3—^3.28)2 62+...+(1,3-0,28)2 2 =Q ^

2 V 84 +62 +30 + 12 +6 +4 +2 ' ~ '

В. Частота (частность) пор в каждом интервале

Mi

И»/-

Чения, іразцоЕ

«і=8/200=0,04; 84/200 = 0,42.

Аналогичным образом подсчитываем частности для всех последующих интервалов размеров пор. г-. Размах варьирования R = xua.Иб—*наим - Подставив числовые значения, получим: для обычного газобетона Rі = 2,5—0,1 = 2,4 мм; для вибрированного газобетона R2 — 1,3—0,1 = 1,2 мм.

Для большей наглядности строим график распреде­ления пор по диаметрам (рис. 15). На оси абсцисс от­кладываем значения диаметра пор (средние значения по интервалам), а на оси ординат — подсчитанные част­ности.

Полученные в результате статистической обработки данные сводим в таблицу по следующей форме:

По приведенным в таблице данным и по построен­ному графику, можно сделать следующие выводы:

1) при примерно одинаковой общей пористости сред­ний диаметр пор у газобетона, изготовленного по вибра­ционной технологии, значительно (более чем в 3 раза) меньше, чем у обычного;

2) величина размаха варьирования и стандартного отклонения свидетельствуют о том, что пористая струк­тура вибрированного газобетона более равномерная;

3) приведенные характеристики пористости позво­ляют предположить, что основные свойства газобетона, изготовленного по вибрационной технологии (прочность, теплопроводность, водопоглощение, морозостойкость), выше, чем у газобетона, полученного по обычной (литье­вой) технологии.