background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

BUILDING  MATERIALS

10.10.2013

DENSITY, POROSITY

DENSITY, POROSITY

PHYSICAL  PROPERTIES

PHYSICAL  PROPERTIES

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

DENSITY (REAL DENSITY) (NET DENSITY)

ρ

= m

/ V

without pores

[kg/m

3

, g/cm

3

APPARENT  DENSITY

It is defined as the ratio of the mass of a dry material (body) 
(m

d

) to its volume without pores (the volume of the solid 

matter /skeleton/) (V

without pores

).

It is defined as the ratio of the mass of a dry material (body) 
(m

d

) to its total volume (in its natural state) (with pores)  

(V

with pores

).

ρ

0

= m

/ V

with pores

= m

/ V

[kg/m

3

, g/cm

3

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

DENSITY  INDEX

s

= (V

without pores

/ V

with pores

) 100% 

POROSITY

It is defined as the ratio (as a percentage) of the volume of
the solid matter /skeleton/ (V

without pores

) to the volume of a 

material (body) (V

with pores

).

It is defined as the ratio (as a percentage) of the volume of
pores (V

pores

) to the volume of a material (body) (V

with pores

).

p

= (V

pores

/ V

with pores

) 100% 

s = (ρ

0

/ ρ) 100% 

p = [1- (ρ

0

/ ρ)] 100% 

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Crush the sample in a brass (porcelain) (agate) mortar.

- Grind the sample into fine powder in a mill (the complete
elimination of porosity in the solid matter).
- Sieve the sample through 0.08 mm squared meshes.
- Pour the sample into an evaporating dish.
- Dry the sample in a drier in the temperature of 105ºC 
(until the mass is constant).
- Cool the sample down to the ambient/room temperature
in the exsiccator (desiccator) (with the hygroscopic
substance at the bottom – e.g. calcium chloride).

DETERMINATION  OF  DENSITY

PREPARATION  OF  A  

POWDERED  MATERIAL

(WITHOUT  PORES)

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Rinse the Le Chatelier’ flask (cleaned and dried) 

with denatured alcohol.
- Fill the flask (volumenometer) with denatured
alcohol to the zero level (‘0 cm

3

’ level = the

bottom of concave meniscus).
- Take out the evaporating dish with the powdered
material /dry/ (the sample) from the exsiccator.

DETERMINATION  OF  (REAL) (NET)

DENSITY

LE  CHATELIER

FLASK  (VOLUMENOMETER) 

METHOD

APPROXIMATE  METHOD

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Weigh the evaporating dish with the whole amount of

powdered material (

m

1

).  

- Pour the powdered material into the flask (portion by 
portion) (without the deposition of the powder on the
interior walls of the flask) to the level of 20 cm

(

= 20 cm

3

).

- Weigh the evaporating dish with the remained amount of
powdered material (

m

2

). 

- Calculate the density of the tested material (

ρ

). 

EVAPORATING 

DISH

ρ

= (m

- m

2

)/ V

V – the volume of the powdered material
poured into the flask (20 cm

3

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

- Weigh the empty pycnometer in its dry state (

m

p

).

- Fill about 1/3 of the pycnometer volume with the dry
powdered material (the sample) (stored in the exsiccator).
- Weigh the pycnometer with the sample (

m

p+m

).

- Add distilled water (at the temperature of 20 ºC) to fill up
the volume of pycnometer.

DETERMINATION  OF  (REAL) (NET)

DENSITY

PYCNOMETER

METHOD

PRECISE  METHOD

Every

mass

with the accuracy of 0.001 g!

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Weigh the pycnometer with the sample and distilled

water (

m

p+m+w

) (after removing the air bubble).

- Empty the pycnometer and fill it with distilled water.
- Weigh the pycnometer with distilled water (

m

p+w

). 

- Calculate the density of the tested material (

ρ

).

V

= m

w

/ ρ

H2O

m

m

= m

p+m

- m

p

m

w

= m

+ m

p+m

– m

p+m+w

(the volume of water =

the volume of the powdered material /sample/) 

ρ

H2O 

= 0.998 g/cm

3

(at the temperature of 20 ºC)

ρ

= m

m

/ V

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Dry the sample in the temperature of 105ºC (until the mass 

is constant).
- Weigh the dry sample (with the accuracy of 1 g) (

m

d

).

DETERMINATION  OF  

APPARENT (BULK)  DENSITY

DIRECT  METHOD

FOR  REGULARLY - SHAPED  SAMPLES

(e.g. CUBICAL, CUBOIDAL, CYLINDRICAL, CONICAL, SPHERICAL)

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

- Measure all dimensions of the sample (e.g. length /

a

/, 

width /

b

/, height /

h

/ for a cuboid) with a slide calliper

(with the accuracy of 1 mm).

DETERMINATION  OF  APPARENT  DENSITY

- Calculate the volume of the sample (

V

0

) (which is equal

to 

a x b x h 

for a cuboid) and the apparent density (

ρ

0

).

SLIDE 
CALLIPER

ρ

0

= m

d

/V

0

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Dry the sample in the temperature of 105ºC (until the mass 

is constant).
- Weigh the dry sample (

m

d

).

DETERMINATION  OF  

APPARENT (BULK)  DENSITY

INDIRECT  METHODS

FOR   IRREGULARLY – SHAPED

SAMPLES

1. PARAFFIN  WAX  METHOD

Materials with large, open pores

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Immerse the sample into the melted paraffin wax in

order to achieve a thin coat on its outer surface, as 
well as to close all its pores.
- After hardening the wax, weigh the sample with the
paraffin wax cover (

m

sample + wax

).

- Insert the sample with the paraffin wax cover into a 

graduated

vessel (beaker) filled with water and note

down its volume (

V

sample + wax

).

PARAFFIN  WAX  METHOD

V

sample + wax

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Calculate the volume of paraffin wax (on the surface of

sample tested) (

V

wax

). The density of parrafin wax equals

0.93 g/cm

3

PARAFFIN  WAX

METHOD

V

wax

= (m

sample + wax

– m

d

)/ ρ

wax

ρ

wax

= 0.93 g/cm

3

Calculate the apparent density of the irregularly-shaped

sample (

ρ

0

).

ρ

0

= m

d

/ (V

sample + wax

– V

wax

)

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

ARCHIMEDES’

PRINCIPLE

2. HYDROSTATIC  (UNDERWATER)  WEIGHING  METHOD 

(BASED  ON  ARCHIMEDES’ PRINCIPLE)

The

buoyant force

, acting on a submerged object (body), 

is equal to the weight of water (liquid) displaced by the
object (body). The force is directed upwards.

G – weight in the air
(gravity force)

R – weight in water
(resultant force)

B – buoyancy
(buoyant force)

B

G

G

R

G

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

HYDROSTATIC  WEIGHING

METHOD

B

G

G

g

ρ

V

=

g

ρ

V

=

g

m

=

B

0

2

H

0

2

H

displaced

water

displaced

water

g

m

=

G

a

g

m

=

R

w

B

G

=

R

R

G

B

g

ρ

V

g

m

=

g

m

0

2

H

a

w

0

2

H

w

a

ρ

/

)

m

m

(

=

V

ρ

H2O

– density of water, ρ

H2O

= 1 g/cm

3

g – gravitational acceleration (acceleration due to gravity) 

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

HYDROSTATIC  WEIGHING  METHOD

Dry the sample in the temperature of 105ºC (until the mass 

is constant).
- Weigh the dry sample (

m

d

).

- Put the dry sample in water and saturate it (until the mass 
is constant = all pores are filled with water).
- Weigh the saturated sample in the air (

m

a

).

- Weigh the saturated sample in water (

m

w

).

- Calculate the volume of the irregularly-shaped sample (

V

).

- Work out the apparent density of the irregularly-shaped
sample (

ρ

0

). 

ρ

0

= m

d

/ V

V = (m

a

– m

w

)/ ρ

H2O

background image

Project  “The development of the didactic potential of Cracow

University of Technology in the range of modern construction”

is co-financed by t he European Union 

within the confines of the European Social Fund and realized under surveillance of Ministry of Sci ence and Higher Education

Sources of the figures (images):

http://www.thesciencefair.com
http://etc.usf.edu/clipart/26800/26841/pycnometer_26841.htm
http://etc.usf.edu/clipart/26800/26842/pycnometer_26842.htm
http://renelleesa.blogspot.com/2010/10/difference-between-cube-and-

cuboid.html

http://www.tutorials.com/04/0481/048112.asp
http://www.clker.com/clipart-14830.html
http://homepage.smc.edu/walker_muriel/measurements_in_the_laboratory%20 

Procedure.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pbuoy4.html
http://schools.wikia.com/wiki/Buoyancy_&_Archimedes’_Principle