МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ 2 страница

Когерентная производная единица физической величины – производная единица, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1.

Конечная цель измерения–получение количественной информа­ции об объекте из­мерения.

Объект измерения – реальный физический объект, свойства которого характеризу­ются одной или несколькими измеряемыми величинами. Одна из них – это ФВ, подлежащая определению в соответствии с измеряемой задачей.

Измерение – последовательность сложных и разнородных действий по отношению к объекту измерения.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Перед началом работ преподаватель проводит общий инструктаж по технике безопасности проведения лабораторных работ. Студенты, получившие инструктаж, должны расписаться в специальном журнале. После этого, они допускаются к проведению лабораторных работ и при этом обязуются выполнять следующие правила:

− перед началом занятий ознакомиться с заданием, применяемым оборудованием, инструментом и материалами;

− немедленно сообщить преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях и нарушениях правил техники безопасности;

− не трогать, не включать без разрешения преподавателя или лаборанта рубильники, пускатели и другие электрические приборы и оборудование;

− при выполнении работ использовать защитную рабочую одежду (халаты, фартуки), имеющиеся в лаборатории;

− выполнять в лаборатории только ту работу, которая поручена, не загромождать свое рабочее место оборудованием и материалами, не относящимися к выполняемой работе;

− запрещается оставаться в лаборатории одному, обязательное присутствие второго лица необходимо для оказания помощи при несчастном случае, пожаре и т.п.;

− если произошел несчастный случай, немедленно сообщить об этом преподавателю или лаборанту для оказания помощи и составления акта.

ОТЧЕТ

После выполнения лабораторной работы каждый студент (звено) составляет отчет в специальной тетради (журнале). В отчет рекомендуется включать:

− наименование и цель работы;

− краткие общие сведения об исследуемом материале и технические требования к нему;

− краткое описание выполненной работы, используемых приборов и оборудования, методик испытаний;

− результаты исследований, полученных всей подгруппой, в виде сводных таблиц и графических зависимостей;

− анализ результатов работы с общими выводами и рекомендациями.

Защита лабораторных работ осуществляется по мере завершения отдельных работ или на итоговом занятии.

Студенты, пропустившие занятия, должны отработать их в конце семестра по графику.

Лабораторная работа № 1

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения

Природными каменными материалами называют строительные материалы, получаемые из горных пород путем механической обработки или без нее. Под механической обработкой понимают процессы, направленные на изменение формы и размеров массивных горных пород путем раскалывания, дробления, распиливания, шлифования, полирования, просеивания и т.д. Получаемые при этом строительные материалы почти полностью сохраняют свойства исходной горной породы. Природные каменные материалы обладают рядом ценных строительно-технических свойств: прочность, твердость, морозостойкость, водостойкость, декоративность и др.

В таблице 4 приведены сведения о применении горных пород в строительстве.

Таблица 4 − Применение горных пород в строительстве

Для оценки свойств природных каменных материалов и выбора области их применения необходимо знать свойства и строение исходных горных пород и слагающих их природных минералов.

Природные минералы – образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свойства.

В земной коре более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство их них встречаются редко и лишь немногие (около 100) встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Структура минералов. Природные минералы в большинстве имеют кристаллическое строение, и лишь некоторые – аморфное. Минералы обладают однородностью строения, состава и свойств. Свойства кристаллических минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропность) или разными по различным направлениям (анизотропность). Аморфные минералы не имеют кристаллической решетки и по своим свойствам они изотропны. Для них характерна неправильная внешняя форма.

Химический состав минералов. Каждый минерал имеет свой химический состав. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют различное внутренне строение, а, следовательно, и различную внешнюю форму.

Физические свойства минералов. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Для строительной отрасли необходимо учитывать такие свойства как: цвет, прозрачность, блеск, спайность, плотность, твердость,

По цвету минералы делятся на две группы: светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит) и темные (роговая обманка, авгит).

По способности пропускать свет через свою толщу минералы делятся на три группы: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон) и непрозрачные (пирит, графит).

По блеску (способности поверхности отражать свет в различной степени) минералы делятся на несколько групп: стеклянные (силикаты), жирные (тальк), шелковистые (асбест) и др.

По спайности (способности раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных плоскостей - плоскостей спайности), минералы делятся на следующие группы:

− минералы, имеющие весьма совершенную спайность (минералы легко расщепляются по плоскостям спайности);

− минералы, имеющие совершенную спайность (минералы практически всегда раскалываются по плоскостям спайности);

− минералы, имеющие несовершенную спайность (раскалывание минералов не всегда проходит по плоскостям спайности);

− минералы, у которых спайность отсутствует (минералы при раскалывании образуют неровные поверхности).

По плотности минералы делятся на три группы: тяжелые (ρ > 4,0 г/см³), средние (ρ = 2,5…4,0 г/см³) и легкие (ρ < 2,5 г/см³).

По твердости (способности минералов противостоять внедрению в него другого более твердого тела) минералы делятся на четыре группы: мягкие, средние, твердые и очень твердые (таблица 5).

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального составов, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Таблица 5 − Твердость природных минералов *

* − на практике часто используются такие эталоны твердости, как мягкий карандаш – 1; ноготь – 2,5; медная монета – 3,5; стекло – 5; лезвие ножа – 5,5.

Горные породы чаще всего состоят из нескольких минералов (полиминеральные горные породы). В отдельных случаях они состоят из одного минерала и называются мономинеральными (гипс, ангидрит, мрамор, кварцит и др.). Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается химическим анализом.

Большое разнообразие (около 1000) горных пород удобно и логично изучать, если их классифицировать по условиям образования (генетическая классификация), т.к. именно условия образования определяют формирование структуры, строения и свойств горных пород, а, следовательно, и природных каменных материалов.

По генезису горные породы делят на 3 большие группы (таблица 6).

Таблица 6 − Генетическая классификация горных пород

Магматические горные породы образовались в результате охлаждения и застывания магмы (огненно-жидкого природного силикатного расплава). Многообразие пород этой группы обусловлено различиями в химическом составе магмы и условиях ее остывания и затвердевания.

Осадочные горные породы образовались в результате процессов выветривания первичных магматических горных пород (механические отложения), выпадения из водных растворов химических осадков (химические осадки) и накопления и преобразования остатков животного мира и растений (органогенные отложения).

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных горных пород под действием повышенных температур и давлений. При этом возможно перекристаллизация минералов, изменение строения и даже изменение химического состава.

Основные характеристики горных пород приведены в таблицах 7..9

Правильный выбор области применения природных каменных материалов в строительстве основывается на подробных сведениях о составе, структуре, строении и основных свойствах исходных горных пород, которые зависят от условий их образования. Особо значение следует уделять долговечности горных пород (таблица 10)

Таблица 10– Классификация горных пород по долговечности

Цель работы

Исследовать основные свойства природных каменных материалов и изучить их зависимость от условий образования, состава, структуры и состояния исходных горных пород. Определить области применения изучаемых горных пород в строительстве.

Порядок выполнения работы

Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания:

− определяет истинную плотность горной породы пикнометрическим методом;

− определяет среднюю плотность горной породы;

− рассчитывает пористость горной породы;

− определяет водопоглощение горной породы.

В качестве объектов исследований рекомендуется выдача образцов горных пород, принадлежащих к различным генетическим группам.

Таблица 7− Основные характеристики магматических горных пород

* − увеличение количества SiO₂ влечет увеличение плотности, прочности и потемнение цвета

** − аналоги неизвестны

Таблица 8 − Основные характеристики осадочных горных пород

Таблица 9 − Основные характеристики метаморфических горных пород

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

1 Определение истинной плотности горной породы

Отбирают пробу горной породы и для ликвидации пор и других дефектов структуры ее дробят. а затем размалывают в фарфоровой или агатовой ступке до размера зерен менее 0,2 мм. Приготовленный порошкообразный материал высушивают в термостате при температуре 105…110 ^оС до постоянной массы, взвешивают с погрешностью 0,01 г, а затем охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры.

От подготовленной пробы берут навеску массой около 10 г, высыпают ее в чистый предварительно взвешенный пикнометр (рисунок 4).

Рисунок 4 – Пикнометр

Пикнометр с навеской взвешивают с погрешностью 0,01 г, заливают на 2/3 объема дистиллированной водой и ставят на песчаную баню. Осторожным кипячением в течение 15…20 минут удаляют из навески материала воздух. После кипячения пикнометр с содержимым охлаждают до комнатной температуры в ванне с водой. Пикнометр тщательно вытирают снаружи, доливают до черты (по нижнему мениску) дистиллированную воду и взвешивают с погрешностью 0,01 г, определяя массу пикнометра с водой и навеской. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, заполняют до черты дистиллированной водой комнатной температурой и вновь взвешивают с погрешностью 0,01 г, определяя массу пикнометра с водой.

Истинная плотность вещества горной породы определяют по формуле

(m₂-m₁) ρ _воды

ρ _в-ва = −−−−−−−−−−−−−− , (1)

m₄ + (m₂ - m₁) - m₃

где ρ _в-ва − истинная плотность вещества, г/см³; m₁ – масса сухого чистого пикнометра, г; ρ _воды − плотность воды, г/см³; m₂ − масса пикнометра с навеской, г; m₃ − масса пикнометра с водой и навеской, г; m₄ – масса пикнометра с водой, г.

Определение истинной плотности вещества горной породы проводят дважды, пока расхождение между двумя параллельными результатами не будет превышать 0,02 г/см³.

2 Определение плотности образцов горных пород

Для каждой горной породы отбирают по 3 образца неправильной формы. Образцы высушивают в термостате при температуре 105…110 ^оС до постоянной массы и после остывания в эксикаторе взвешивают с погрешностью 0,01 г. Затем на каждый образец с помощью кисти наносят тонкий слой расплавленного парафина так, чтобы была покрыта вся поверхность. Дав парафину застыть, образцы снова взвешивают и перевязывают прочной нитью. Используя известные формулы, определяем массу парафина.

Объем образца, покрытого слоем парафина, определяют при помощи объемомера (рисунок 5), который предварительно заполняют водой до уровня слива. Парафинированный образец на нитке опускают в объемомер, а вытесненная жидкость стекает в стакан 4 (мерный цилиндр 3). Водонепроницаемый слой парафина препятствует впитыванию воды, что превышает точность определения объема образца.

Из установленного таким образом объема образца с парафином необходимо вычесть объем, занимаемый парафином. Плотность парафина равна 0,93 г/см³.

Плотность образца горной породы подсчитывают как частное от деления массы образца в сухом состоянии на его объем:

m₁ m₁

ρ _г.п = −−−−− = −−−−−−−−−−−−, г/см³ (2)

V _обр m₂-m₁ m₂ - m₁

−−−−− − −−−−−−

ρ _воды ρ _пар

где ρ _{г. п} − плотность горной породы, г/см³; m₁ – масса образца горной породы в сухом состоянии, г; V _обр − объем образца, см³; ρ _воды − плотность воды, г/см³; m₂ − масса образца горной породы, покрытого слоем парафина, г; m₃ − масса образца горной породы, покрытого слоем парафина в воде, г; ρ _пар − плотность парафина, г/см³.

Рисунок 5 − Объемомер

1 – объемомер, 2 – образец, 3 – мерный цилиндр, 4 − стакан

Плотность горной породы вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 3 образцов.

Результаты определения истинной плотности и плотности горной породы в куске сравнивают с данными приложений 4…6. Резкие отклонения экспериментальных данных от табличных свидетельствуют о неправильном проведении лабораторных испытаний.

3 Определение пористости горных пород

Пористость, характеризующая степень заполнения объема образца горной породы порами, подсчитывают в процентах по установленным величинам истинной плотности и средней плотности по формуле

p = (1 −езультатыРезультаты

(ρ _г.п/ρ _в-ва)100 %, (3)

где p − пористость горной породы, %; ρ _г.п – плотность горной породы, г/см³; ρ _в-ва − истинная плотность вещества горной породы, г/см³.

4 Определение водопоглощения горных пород

От горной породы отбирают по 3 образца, которые после предварительного высушивания взвешивают с погрешностью 0,01 г. Насыщение водой производят при кипячении в течение 1 часа. Уровень воды в сосуде должен быть выше уровня верха образцов не менее чем 2 см. После кипячения образцы охлаждают до комнатной температуры путем доливания в сосуд холодной воды. Затем образцы поочередно вынимают из воды, обтирают влажной тканью и взвешивают.

Водопоглощение образца определяют по массе поглощенной им воды в процентах от массы сухого образца

W _m = (m _нас − m _сух)/m _сух ^.100 %, (4)

где W _m − водопоглощение образца по массе, %; m _нас – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; m _сух – масса сухого образца, г.

Показатель водопоглощения горной породы подсчитывают как среднее арифметическое результатов испытаний 3 образцов.

Выводы по работе

На основе анализа результатов исследований, полученных всей подгруппой и оформленных в отчете в виде сводной таблицы, необходимо сделать заключение о зависимости показателей плотности, пористости, водопоглощения от их состава, строения и условий образования.

Составить аргументированные рекомендации по изготовлению строительных материалов и изделий из этих горных пород и применению их в строительстве.

Контрольные вопросы

1 Что произойдет с кварцем и кварцсодержащими горными породами при нагревании до 600 ^оС?

1 Разрушатся.

2 Расплавятся.

3 Сгорят.

4 Ничего ее произойдет.

2 Назовите представителя природных каменных материалов из магматических горных пород.

1 Мрамор.

2 Гранит.

3 Известняк.

4 Мел.

3 Назовите представителя природных каменных материалов из осадочных горных пород.

1 Мрамор.

2 Гранит.

3 Известняк.

4 Сиенит.

4 Назовите представителя природных каменных материалов из метаморфических горных пород.

1 Мрамор.

2 Гранит.

3 Известняк.

4 Мел.

5 Определите формулу породообразующего минерала кальцита.

1 CaSO₄.

2 CaCO₃MgCO₃.

3 CaCO₃.

4 Ca(HCO₃)₂.

6 Какие магматические горные породы называют аналогами?

1 Горные породы с одинаковой степенью закристаллизованности.

2 Горные породы, образовавшиеся из магмы с одинаковым химическим составом, но при различных условиях охлаждения и затвердевания.

3 Горные породы, содержащие кремнезем.

4 Горные породы с одинаковой пористостью.

7 Назовите представителя породообразующих минералов из группы сульфатов.

1 Кварц.

2 Ангидрит.

3 Доломит.

4 Кальцит.

8 На какие основные группы подразделяют горные породы согласно генетической классификации?

1 Рыхлые, обломочные, сцементированные.

2 Магматические, органогенные, глубинные.

3 Полнокристаллические, скрытокристаллические, аморфные.

4 Магматические, осадочные, метаморфические.

9 Назовите факторы, вызывающие метаморфизм горных пород.

1 Процессы физического выветривания и химического разложения.

2 Химические и биологические процессы.

3 Действие высоких температур и больших давлений газов и растворов.

4 Процессы аморфизации структуры.

10 Какие условия являются благоприятными для процесса кристаллизации магмы и формирования полнокристаллического строения горных пород?