PRACOWNIA SPECJALISTYCZNA

UNIWERSYTET KAZIMIERZA WIELKIEGO
Instytut Mechaniki Środowiska
i Informatyki Stosowanej
PRACOWNIA SPECJALISTYCZNA
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ
Nr ćwiczenia
TEMAT: Wyznaczanie porowatości objętościowej
przez zanurzenie próbki w cieczy.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi metodami laboratoryjnego
wyznaczania
porowatości
objętościowej
materiałów
porowatych
oraz
przeprowadzenie pomiarów porowatości materiałów metodą objętościowo wagową.
WYPOSAŻENIE STANOWISKA:
1. Waga laboratoryjna.
2. Suwmiarka.
3. Pompa próżniowa.
4. Próbki.
5. Instrukcja.
LITERATURA:
1. Aksielrud G.A., Altszuler M.A., Ruch masy w ciałach porowatych, WNT,
Warszawa 1987.
2.
Myślińska E., Laboratoryjne badanie gruntów, PWN, Warszawa 1997.
1. Podstawy teoretyczne
Wiele materiałów pochodzenia naturalnego i technicznie wytworzonych
posiada w swej budowie wewnętrznej dużą liczbę pustych przestrzeni o
wielkości względnie małej w porównaniu z wymiarem charakterystycznym
samego ciała. Przestrzenie takie, niezależnie od ich kształtu i wymiarów
nazywane są porami, a materiały, w których one występują materiałami
porowatymi.
Do materiałów porowatych technicznych i pochodzenia naturalnego
należą:
- grunty, skały, złoża węglowe, złoża roponośne, drewno, tkanki kostne,
mięśnie, tkanki roślin, itp.,
- tworzywa sztuczne piankowe (pianki poliestrowe, poliuretanowe, szkło
piankowe), włókniny, błony półprzepuszczalne, betony, ceramika, spieki
metali, pumeks, itp.
Wzajemnie połączone pory tworzą w materiale porowatym przestrzeń
porową, przeważnie wypełnioną płynem, powietrzem, wodą, gazem ziemnym,
ropą itd., który może się przemieszczać. Część stałą takich materiałów
nazywamy szkieletem. W zależności od stopnia połączenia porów między sobą
oraz z otoczeniem rozróżnia się pory przelotowe, nieprzelotowe (ślepe) i
zamknięte. Przepływ cieczy i gazów możliwy jest tylko w porach otwartych. W
porach takich przepływowi płynu towarzyszyć mogą zjawiska wymiany ciepła,
filtracji, dyfuzji, sorpcji a także reakcji chemicznych. Z tego powodu objętość
porów połączonych nazywana jest często objętością aktywną porów lub
2
objętością efektywną. Objętość wszystkich porów nazywana jest objętością
całkowitą porów.
Niezależnie od składu chemicznego i rodzaju materiałów porowatych
różniących się własnościami fizycznymi, wspólną cechą takich materiałów jest
wewnętrzna struktura wzajemnie połączonych porów.
Do najważniejszych parametrów charakteryzujących strukturę materiałów
porowatych należą:
-
porowatość objętościowa,
-
przepuszczalność,
-
powierzchnia właściwa.
Porowatość objętościowa materiału porowatego
oznaczana jest przez fv i definiowana jako stosunek objętości porów Vp
zawartych w próbce materiału porowatego do całkowitej objętości próbki V , tj.
(1)
fv =
Vp
,
V
0
≤
fv
≤
1 .
Ze względu na zależność
(2)
V p + Vs = V
porowatość objętościową możemy zdefiniować równoważnie wzorem
(3)
fv =
V − Vs
V
=1− s
V
V
3
gdzie Vs jest objętością materiału szkieletu w próbce.
Dla materiałów porowatych złożonych z regularnie rozmieszczonych
cząstek np. z kulek porowatość objętościowa może być obliczona na podstawie
wymiarów i rozmieszczenia kulek. Nie zależy ona od wymiarów cząstek, które
tworzą ośrodek, zależy natomiast od kształtu tych cząstek i ich rozmieszczenia
w materiale porowatym. Dla rzeczywistych materiałów porowatych, których
geometria porów jest bardzo złożona, bezpośrednie obliczenie porowatości jest
trudne do wykonania. W takim przypadku porowatość objętościową wyznacza
się eksperymentalnie wykorzystując definicje (1) bądź (3).
W materiałach o złożonej budowie wewnętrznej porów obok tak
zdefiniowanej porowatości objętościowej, nazywanej również porowatością
całkowitą, wyróżniamy także porowatość:
- rzeczywistą,
-
aktywną,
- zamkniętą.
Porowatość rzeczywista jest to stosunek objętości porów otwartych
zawartych w próbce materiału porowatego do całkowitej objętości próbki. W
ciałach o małej zawartości porów zamkniętych porowatość całkowita i
rzeczywista przyjmują zbliżone wartości. Porowatość zamknięta jest różnicą
porowatości całkowitej i rzeczywistej. W takich materiałach porowatych jak:
szkło piankowe, piankowe tworzywa sztuczne, niektóre spieki ceramiczne i z
proszków metali większą część przestrzeni porowej tworzą pory zamknięte.
Porowatość aktywna jest to stosunek objętości porów przelotowych, przez
które może zachodzić przepływ płynu, zawartych w jednostce objętości
materiału porowatego.
Przepuszczalność
jest to zdolność materiału porowatego do przepuszczania cieczy i gazów przez
przestrzeń porową pod wpływem różnicy ciśnień.
4
Przepuszczalność
jest
jednym
z
kryteriów
oceny
właściwości
izolacyjnych i zdolności przepuszczania płynów materiałów budowlanych,
izolacji cieplnych, materiałów filtracyjnych, sorbentów i katalizatorów.
Przepuszczalność silnie zależy od powierzchni właściwej.
Powierzchnia właściwa
jest to stosunek pola powierzchni wewnętrznej porów zawartych w próbce
materiału porowatego do objętości tej próbki. Powierzchnia właściwa jest ważną
cechą przepuszczalnych materiałów porowatych, decyduje bowiem o przebiegu
tych procesów, dla których wielkość rozwinięcia powierzchni porów ma
podstawowe znaczenie (np. sorbenty, katalizatory, wypełniacze jonowe, izolacje
cieplne).
2. Podstawowe metody wyznaczania porowatości objętościowej
Z definicji (1) porowatości objętościowej
fv
próbki materiału
porowatego, którą można zapisać w postaci
fv =
(4)
Vp
V
= 1-
Vs
V
wynika, że dla określenia porowatości objętościowej należy wyznaczyć dwie z
trzech następujących wielkości:
V - objętość próbki,
Vp - objętość porów w próbce,
Vs - objętość materiału szkieletu w próbce.
Z tego względu przy ekstremalnym wyznaczaniu porowatości wykorzystywane
są te wszystkie metody, które umożliwiają określenie wartości tych objętości.
5
Jeżeli próbka ma kształt regularny, to objętość próbki V określa się
mierząc jej wymiary. W przypadku, gdy próbka ma kształt nieregularny, jej
objętość jest wyznaczana eksperymentalnie, przy użyciu piknometru. Pomiar ten
należy przeprowadzić jednak w taki sposób, aby wykluczyć możliwość
nasycenia próbki w czasie pomiaru. W tym celu badaną próbkę nasyca się przed
badaniem cieczą dobrze zwilżającą jej powierzchnię. Można również pokryć ją
nieprzepuszczalną warstwą parafiny lub kolodium. Stosuje się również
hydrofobizującą obróbkę związkami krzemoorganicznymi, zabezpieczającą
próbkę przed nasiąkaniem wodą. Jako ciecz piknometryczną często stosuje się
rtęć, która w wielu przypadkach zwilża ale nie wsiąka do większości próbek.
Objętość porów wyznacza się mierząc ilość cieczy lub gazu, które
wniknęły do wnętrza próbki. Jako ciecz piknometryczną stosuje się, obok rtęci,
naftę, benzen, czterochlorek węgla, alkohol etylowy i wodę. Napełnianie porów
cieczą zwilżającą przebiega samoczynnie, w wyniku działania sił kapilarnych,
natomiast napełnianie porów cieczą nie zwilżającą wymaga działania ciśnienia
zewnętrznego.
Eksperymentalny pomiar objętości
V,
Vs ,
Vp
próbki materiału
porowatego może być równoważnie zastąpiony pomiarem gęstości pozornej
szkieletu
(5)
ρa =
ms
V
ρs =
ms
Vs
oraz jego gęstości właściwej
(6)
,
gdyż obie te wielkości wyznaczają wartość porowatości fv . Mamy bowiem
6
Vs
m V
= 1− s
.
V
m s Vs
ρ
fV = 1 − a
ρs
fV = 1 −
(7)
Laboratoryjnie porowatość objętościową przepuszczalnych materiałów
porowatych wyznacza się trzema głównymi metodami:
1. wagową,
2. przez zanurzenie próbki w cieczy,
3. sprężania gazu.
2.1. Wyznaczanie porowatości objętościowej metodą wagową
Metoda wagowa wyznaczania porowatości objętościowej materiałów
porowatych polega na wykorzystaniu wagi jako głównego przyrządu
pomiarowego. Metodą tą można wyznaczyć porowatość próbki materiału o
regularnych kształtach, którego gęstość właściwa jest znana lub porowatych
materiałów sypkich.
W pierwszym przypadku ważąc próbkę materiału wyznaczamy masę
próbki ms , a dokonując pomiarów geometrii próbki wyznaczamy jej objętość
V . Te dwie wielkości umożliwiają wyznaczenie gęstości pozornej szkieletu ρa ,
zgodnie ze wzorem (5). Gęstość ρa oraz znana wartość gęstości właściwej ρs
podstawione do wzoru (7) określają porowatość fv próbki.
Metodą tą wyznacza się między innymi porowatość objętościową
włóknistych materiałów filtracyjnych o dużej porowatości ( fv > 0,9 ) np.
włóknin.
7
Przy wyznaczaniu porowatości materiałów sypkich znajomość gęstości
pozornej szkieletu nie jest konieczna. Niezbędna jest natomiast ciecz o znanej
gęstości, np. woda oraz naczynie o określonej objętości V . W metodzie tej
napełniamy naczynie płynem i zasypujemy całkowicie ziarnistym materiałem,
lekko ubijając go w naczyniu. W trakcie zasypywania nadmiar cieczy wyleje się
z naczynia. Taka kolejność postępowania ma na celu zapewnienie by płyn
pozostający w naczyniu całkowicie wypełniał pory materiału porowatego.
Zważenie tak przygotowanego naczynia umożliwia określenie całkowitej jego
masy m . Jest ona sumą mas trzech składników,
(8)
m = mn + ms + mp ,
masy naczynia mn , masy materiału sypkiego ms oraz masy płynu mp .
Ponieważ masę naczynia i masę materiału sypkiego możemy wyznaczyć ważąc
każdy z tych składników oddzielnie (po ich uprzednim wysuszeniu), wyrażenie
(8) umożliwia określenie masy płynu mp wypełniającego pory szkieletu co ze
względu na znaną wartość gęstości płynu jest równoznaczne z wyznaczeniem
objętości porów.
Vp =
(9)
mp
ρ
f
Wykorzystując definicję (4) oraz zależności (8), (9) porowatość objętościowa
wyznaczona tą metodą dana będzie wzorem
(10)
fV =
m − mn − ms
ρ fV
8
2.2. Wyznaczanie porowatości objętościowej przez zanurzenie próbki w
cieczy
Metoda ta polega na zważeniu próbki o oznaczonej objętości całkowitej w
powietrzu, a następnie w cieczy hydrofobowej (woda, benzyna, nafta, itp.). Na
tej podstawie oblicza się objętość Vs jaką zajmuje materiał szkieletu w próbce:
Vs =
(11)
m2 − m1
ρf
gdzie: m1 - masa próbki w cieczy,
m2 - masa próbki w powietrzu,
ρ f - gęstość cieczy.
Mając objętość całkowitą próbki V porowatość można obliczyć ze wzoru (4),
tj.
(12)
fV = 1 −
Vs
.
V
Naczynie z
cieczą I próbką
Rys. 1 Schemat wyznaczania masy próbki w zanurzeniu w cieczy.
9
3. Opis stanowiska i procedury wyznaczania porowatości objętościowej
metodą wagową.
3.1. Opis stanowiska pomiarowego
W skład stanowiska pomiarowego wchodzi:
• waga laboratoryjna,
• stanowisko próżniowe, (obsługiwane przez prowadzącego),
• suwmiarka,
• woda destylowana,
• naczynie na próbki z wodą,
• materiał na próbki lub próbki.
3.2. Przebieg ćwiczenia
1.
Przygotowanie 3 próbek tj. wycięcie próbek z materiału badanego o
regularnych kształtach aby możliwy był pomiar objętości próbki.
2.
Pomiar wymiarów próbek oraz wyznaczenie objętości próbek V.
3.
Pomiar masy próbek w powietrzu (suchych) m2.
4.
Nasycanie próżniowe próbek jeśli jest wymagane.
5.
Pomiar masy próbek w wodzie m1.
6.
Wyznaczenie gęstości materiału ρ.
7.
Wyznaczenie objętości szkieletu VS.
8.
Wyznaczenie porowatości materiału fV.
TREŚĆ SPRAWOZDANIA :
1.
Krótki opis stanowiska laboratoryjnego i metody pomiaru
2.
Zestawienie danych
3.
Zestawienie wyników – tabela
4.
Uwagi i wnioski
10