В В Е Д Е Н И Е. Саратовский государственный технический университет

Саратовский государственный технический университет

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания

к лабораторным работам

по курсу "Материаловедение"

для студентов направления "Строительство"

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов – 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители: Мещеряков Дмитрий Васильевич

Алексушина Анна Константиновна

Под редакцией Мещерякова Дмитрия Васильевича

Рецензент Повитков Геннадий Федорович

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ

Тел. 52-63-81, 52-56-01

http: //lib.sstu.ru

Регистрационный

номер _________

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

В В Е Д Е Н И Е

Под свойством понимают способность материала определенным образом реагировать на отдельный, а чаще действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор. Поскольку строительные материалы и изделия являются неоднородными, то действие того или иного фактора будет обусловлено составом, строением материала, а также эксплуатационными условиями. Другими словами, свойства материала будут проявляться неодинакового в зависимости от состава, строения, размеров и формы изделий и образцов, подвергающихся испытаниям. Наличие этих факторов, а также некоторых других, таких, например, как чистота поверхности образцов, приводит к определенному разбросу результатов испытаний. Поэтому для возможности объективной оценки свойств материалов и изделий методы их испытания должны включать:

1) отбор проб в зависимости от вида и назначения материала в соответствии с ГОСТ 8269.00-97, ГОСТ 8267-93, ГОСТ 8735-88.

2) определенное количество проб в соответствии со стандартами на конкретные материалы и изделия;

3) статистическую обработку полученных результатов.

В данных методических указаниях рассматривается лишь небольшая часть общей методики испытания строительных материалов и изделий, а именно: определение свойств пробы с целью иллюстрации таких основных понятий, как "истинная" и средняя плотность, пористость, морозостойкость и др. По этой причине в руководстве отсутствуют требования к определению погрешности результатов испытаний.

Ф И З И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ "ИСТИННОЙ" ПЛОТНОСТИ

ПРИ ПОМОЩИ ПРИБОРА ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ

Ц е л ь р а б о т ы : изучить метод определения "истинной" плотности вещества природного или искусственного каменного материала.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

"Истинная" плотность ρ г/см³, кг/м³ – масса единицы объема вещества в абсолютно плотном состоянии:

ρ= m /V.

"Истинную" плотность можно определить с помощью объемомера, пикнометра. Ее величина будет зависеть от атомных масс элементов, входящих в состав вещества.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

При испытании горных пород и щебня куски камня или зерна щебня измельчают сначала до крупности менее 5 мм, перемешивают и сокращают пробу до 150 г. Затем полученную пробу измельчают в порошок. При испытании песка 200 г материала просеивают через сито с размером отверстий 5 мм. Перед испытанием подготовленные пробы природных материалов высушивают до постоянной массы при температуре 105 … 110^оС и охлаждают в эксикаторе.

Испытание проводят на приборе Ле-Шателье (рис. 1).

А б

Рис.1. Прибор Ле Шателье (а) и вид прибора в рабочем состоянии (б):

1 - объемомер; 2 - сосуд с водой; 3 - штатив; 4 - термометр

Прибор заполняют до нижней нулевой отметки инертной по отношению к испытуемому материалу жидкостью (водой, керосином, спиртом). Уровень жидкости в приборе определяют по нижнему мениску. Навеску материала через воронку прибора всыпают небольшими порциями до тех пор, пока уровень жидкости в приборе не поднимется до риски с делением 20 мл. Затем взвешивают остаток материала, не вошедшего в прибор, и рассчитывают "истинную" плотность ρ в г/см³ по формуле

,

где m₁ - масса навески до испытания, г;

m₂ - масса остатка, г;

V - объем жидкости, вытесненной материалом, мл.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Прибор Ле-Шателье;

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг;

Стаканчик для взвешивания иди фарфоровая чашка;

Шкаф сушильный с автоматическим регулированием температуры в пределах +40 … 110^оС;

Сито с размером отверстий 5 мм.

1. Проверить начальный уровень жидкости в приборе.

2. От подготовленной пробы отвесить в фарфоровой чашке 90 … 100 г порошка материала.

3. Высыпать порошок небольшими порциями в прибор до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется до риски с делением 20 мл.

4. Удалить пузырьки воздуха вращением прибора вокруг его вертикальной оси и при необходимости добавить порошок.

5. Взвесить остаток порошка материала.

ОПРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Величину "истинной" плотности вычисляют с точностью до 0,01 г/см³ как среднее арифметическое двух определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,02 г/см³. В случаях больших расхождений производят третье определение и вычисляют среднее арифметическое двух ближайших значений.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

Отчет составляется в тетради и содержит название, цель работы, расчетные формулы и результаты опытов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется "Истинной" плотностью?

2. С помощью каких приборов определяют "истинную" плотность?

3. От каких факторов зависит "истинная" плотность?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ

Ц е л ь р а б о т ы : изучить методы определения средней плотности материалов различной формы.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Средняя плотность ρ_m кг/м³, г/см³ масса единицы объема материала в естественном состоянии, то есть с учетом всех пор:

ρ_m = m /V .

Средняя плотность в зависимости от формы материала можно определить стереометрическим либо гидростатического взвешивания. Величина средней плотности зависит от пористости и влажности материала и у различных материалов может меняться в широких пределах, например, у стеклопора – 10 … 20 кг/м³, легких бетонов – 500 … 1800 кг/м³, базальта – 2900 … 3000 кг/м³.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Сущность метода заключается в определении массы, измерении объема, включающего воры и пустоты и вычислении средней плотности материала как отношения массы к объему.

Средняя плотность материалов определяют на целом изделии или на образцах правильной или неправильной геометрической формы. Образцы могут иметь форму куба, параллелепипеда или цилиндра и размер по наименьшему измерению не менее 50 мм.

Среднюю плотность дырчатых, пустотелых, пористо-пустотелых изделий определяют только на целых изделиях.

Образцы неправильной формы, отколотые от целого изделия, должны иметь массу не менее 300 г каждый.

Навеска щебня крупностью до 40 мм должна иметь массу около 2,5 кг.

Образцы любой формы со стороной размером до 100 мм измеряют с точностью до 0,1 мм, размером 100 мм и более с точностью до 1 мм. Образцы массой менее 500 г взвешивают с точностью до 0,1 г, а массой 500 г и более – с точностью до 1 г.

Испытание проводят на образцах, высушенных до постоянной массы при температуре 105 … 110^оС.

Среднюю плотность образцов правильной формы ρ_m в г/см³ вычисляют по формуле

,

где m - масса образца, г;

V - объем образца, см³.

При испытании материалов неправильной формы их объем определяют с помощью гидростатического взвешивания. Для этого высушенные до постоянной температуре образцы насыщают водой путем кипячения их в ней в течение 2 часов или путем погружения образцов в воду и выдержкой в ней в течение 24 часов при комнатной температуре. Насыщенные образцы вынимают из воды, удаляют влагу с их поверхности влажной тканью и взвешивают сначала на обычных технических весах, а затем на гидравлических.

Среднюю плотность ρ_m в г/см³ вычисляют по формуле

,

где m - масса образца в сухом состоянии, г;

m₁ - масса водонасыщенного образца на воздухе, г;

m₂ - масса водонасыщенного образца в воде, г;

ρ_в - истинная плотность воды, равная 1 г/см³.

Образцы неправильной формы с мелкими открытыми порами вместо насыщения водой разрешается покрывать пленкой парафина толщиной около 1 мм. Для этого высушенный и взвешенный образец погружают в разогретый парафин и охлаждают на воздухе, затем в воде.

Среднюю плотность ρ_m в г/см³ вычисляют по формуле

,

где m – масса сухого образца, г;

m₁ - масса парафинированного образца на воздухе, г;

m₂ - масса парафинированного образца в воде, г;

ρ_n - "истинная" плотность парафина, равная 0,93 г/см³;

ρ_в - "истинная" плотность воды, равная 1 г/см³.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

З а д а н и е 1

Стереометрический метод определения средней плотности

образцов правильной геометрической формы

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг;

Металлическая линейка.

1. Взвесить образец.

2. Измерить образец.

3. Вычислить объем образца.

З а д а н и е 2

Определение средней плотности образца неправильной формы

методом гидростатического взвешивания

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг; в том числе с приспособлением для гидростатического взвешивания;

Сосуд для насыщения водой.

1. Взвесить образец.

2. Насытить образец водой.

3. Взвесить водонасыщенный образец на воздухе.

4. Взвесить водонасыщенный образец в воде.

З а д а н и е 3

Определение средней плотности образца неправильной формы

методом гидростатического взвешивания с применением парафина

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг; в том числе с приспособлением для гидростатического взвешивания;

Парафин технический.

1. Взвесить образец

2. Покрыть образец тонким слоем парафина.

3. Парафинированный образец взвесить на воздухе.

4. Парафинированный образец взвесить в воде.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Среднюю плотность образцов правильной формы и образцов неправильной формы, отколотых от целого изделия, определяют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов.

Среднюю плотность исходной горной породы определяют как среднее арифметическое результатов испытания пяти образцов неправильной формы.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет оформляется в тетради и включает название, цель работы, формулы расчета средней плотности, результаты опытов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется средней плотностью?

2. Какими методами можно определить среднюю плотность?

3. От каких факторов зависит средняя плотность?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ

Ц е л ь р а б о т ы : изучить метод определения средней плотности сыпучих материалов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Насыпной плотностью ρ_н кг/м³, г/см³ называют массу единицы объема рыхло-насыпных зернистых или волокнистых материалов. Величина насыпной плотности зависит от "истинной" и средней плотности отдельных зерен, их формы и гранулометрического состава материалы в целом.

Величина насыпной плотности нужна для определения пустотности материала, определения способа и стоимости перевозки материала, для расчета складов и подъемно-транспортного оборудования.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Насыпную плотность определяют путем взвешивания определенного объема материала, высушенного до постоянной массы, в мерном цилиндре. Размеры мерного цилиндра зависят от крупности зерен испытуемого материала.

При наибольшей крупности зерен Объем цилиндра

до 5 мм 1 л

до 10 мм 5 л

до 20 мм 10 л

до40 мм 20 л

св. 40 мм 50 л

Материал высушивают до постоянной массы при температуре 105 … 110^оС и насыпают с высоты 10 см в предварительно взвешенной мерный цилиндр до образования конуса, который снимают (без уплотнения) вровень с краями цилиндра, после чего цилиндр взвешивают. При определении насыпной плотности песка можно пользоваться стандартной воронкой, рис. 2.

Рис. 2. Стандартная воронка:

1 — корпус; 2- трубка; 3 - задвижка; 4 - мерный сосуд

Воронка полностью заполняется песком, после чего открывается задвижка и песок поступает в цилиндр. Насыпную плотность ρ_н в г/см³ вычисляют по формуле

,

где m₁ - масса пустого цилиндра, г;

m₂ - масса цилиндра с материалом, г;

V - объем цилиндра, см³.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Весы технические с пределом взвешивания от 100 г до 10 кг;

Мерный цилиндр.

1. Взвесить пустой мерный цилиндр.

2. Заполнить цилиндр материалом.

3. Срезать избыток материала.

4. Взвесить цилиндр, заполненный материалом.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Определение насыпной плотности производится два раза, при этом каждый раз берут новую порцию материала.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

Название лабораторной работы, цель работы, результаты опытов и формулы расчета насыпной плотности заносятся в тетрадь.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Для каких материалов определяют насыпную плотность?

2. Как можно определить насыпную плотность?

3. От каких факторов зависит насыпная плотность?

4. Зачем нужно знать насыпную плотность?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ (ПУСТОТНОСТИ)

Ц е л ь р а б о т ы : определение пористости (пустотности) материала.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Пористость (пустотность) материала характеризуется степенью заполнения его объема порами или пустотами. Поры представляют собой, не заполненные структурным материалом. По величине они могут колебаться от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров. Более крупные ячейки и полости, например, между зернами сыпучих материалов, называются пустотами. Пористость материалов колеблется в широких пределах: 0,02 …. 0,8 % у гранита и мрамора, 11,0 … 35,0 % у известняка, 75,0 … 85,0 % у теплоизоляционного кирпича и ячеистого бетона, 90,0 … 95,0 % у пено- и поропластов.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материалов, замкнутые или сообщающиеся поры) зависят важнейшие свойства материала: средняя плотность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость, морозостойкость, водостойкость, прочность и др. Поэтому все сведения о пористости материала позволяют более надежно выбирать целесообразные области его применения. Для сыпучих материалов определяют пустотность.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Пористость и пустотность (П, %) являются расчетными величинами и определяются на основании ранее найденных значений "истинной" и средней плотности.

Пористость и пустотность в процентах по объему определяют по формулам:

П = (1 – ρ_m / ρ) ^.100, П =(1 – ρ_н / ρ) ^.100,

где ρ - "истинная" плотность материала, г/см³;

ρ_m - насыпная плотность материала, г/см³;

ρ_н - средняя плотность материала, г/см³.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

Отчет составляется в тетради и включает название, цель работы, основные понятия, формулы расчета, результаты расчетов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется пористостью?

2, Для каких материалов определяют пустотность?

3. На какие свойства материалов оказывает влияние его пористость?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ

Ц е л ь р а б о т ы : изучить метод определения водопоглощения различных строительных материалов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Водопоглощение (W, %) – это способность материала впитывать и удерживать в порах воду при непосредственном соприкосновении с ней. Различают водопоглощение по массе и объему. Водопоглощение по объему отражает степень заполнения пор водой. Но так как вода проникает не во все поры и не удерживается в открытых пустотах, то объемное водопоглощение всегда меньше "истинной" пористости, то есть меньше 100 %, в то время как водопоглощение по массе высокопористых материалов может быть больше 100 %.

Величина водопоглощения зависит от величины и характера пористости, а также от условий насыщения материала водой.

В свою очередь водопоглощение отрицательно влияет на основные свойства материала: увеличивается средняя плотность, возрастает теплопроводность, уменьшается морозостойкость и прочность.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Испытание материала на водопоглощение производят путем насыщения образцов материала в воде температурой +15 … 20^оС в течение 48 часов или в кипящей воде в течение 4 часов.

Оценку водопоглощения производят по отношению поглощенной массы воды к массе материала, высушенного до постоянной массы, в процентах:

,

где m_в - масса поглощенной воды, г;

m_м - масса сухого материала, г.

Оценку водопоглощения высокопористых материалов производят по отношению поглощенной массы воды к объему материала, в процентах:

,

где m_в - масса поглощенной воды, г;

V - объем материала, см³;

ρ_в - средняя плотность воды, равная 1 г/см³.

Испытания производят на штучных изделиях (кирпич, плитка, камень пустотелый), на образцах – кубах с ребром 100 и 150 мм, образцах – цилиндрах, имеющих одинаковые диаметры и высоту; на образцах неправильной геометрической формы, имеющих массу не менее 200 г.

Образцы природного камня и керамических материалов предварительно высушивают до постоянной массы при температуре 105 … 110^оС. Массу образца считают постоянной, если разница результатов двух последовательных взвешиваний после сушки не превышает 0,2 %. Взвешивание образцов производят после их остывания на воздухе. Образцы других материалов испытывают без предварительного высушивания.

Образцы укладывают в сосуд с водой температурой +15 … 20^оС в один ряд на решетку так, чтобы уровень воды в нем был выше верха образцов на 2 … 10 см. Образцы выдерживают в воде 48 часов, после чего их вынимают, обтирают влажной тканью и немедленно взвешивают. Массу воды, вытекшей из образца на чашку весов, включают в массу водонасыщенного образца.

После взвешивания, не подвергшиеся сушке до помещения в сосуд с водой, высушивают до постоянной массы при температуре 105 … 110^оС.

Водопоглощение образца W_m в процентах по массе вычисляют по формуле

,

где m₁ - масса водонасыщенного образца, г;

m - масса образца, высушенного до постоянной массы, г.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг;

Шкаф сушильный с автоматическим регулированием температуры в пределах +40 … 110^оС;

Сосуд с деревянной решеткой.

1. Взвесить высушенные образцы.

2. Погрузить образцы в воду.

3. Вынуть из воды, обтереть влажной тканью.

4. Взвесить образцы.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Величину водонасыщения вычисляют как среднее арифметическое трех определений.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

Отчет составляется в тетради и содержит название и цель работы, понятие водопоглощения, результаты опытов. Строится график зависимости водопоглощения от общей пористости и водопоглощения от средней плотности, делаются выводы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется водопоглощением?

2. Какие виды водопоглощения различают?

3. Что отражает водопоглощение по объему?

4. Как водопоглощение зависит от "истинной" пористости?

5. Какие свойства зависят от водопоглощения?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ

Ц е л ь р а б о т ы : изучить методы определения морозостойкости различных строительных материалов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Морозостойкость материала количественно оценивается маркой, за которую принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцом.

Материал считают выдержавшим испытание, если в результате опыта потери массы и прочности образцов не превышают величин, установленных стандартами на эти материалы.

Морозостойкость зависит от величины и характера пористости материала, а также от условий его эксплуатации. Она тем выше, чем меньше водопоглощение и больше прочность материала.

От морозостойкости зависит долговечность материалов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Легкие бетоны, кирпич обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог - Мрз 100, Мрз 200, а гидротехнический бетон до Мрз 500.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Испытание материала на морозостойкость производят путем многократного объемного или одностороннего замораживания насыщенных водой образцов в воздушной среде при температуре -15 … 20^оС и оттаивания в воде при температуре +15 …20^оС.

В тех случаях, когда необходимо получить величину морозостойкости в короткие сроки, испытание проводят путем насыщения образцов раствором сернокислого натрия. Готовят насыщенный раствор путем растворения в 1 л подогретой до 30^оС дистиллированной воды 250 … 300 г безводного сернокислого натрия Na₂SO₄ или 700 … 1000 г кристаллического сернокислого натрия Na₂SO₄ ^. 10 H₂O.

Оценку морозостойкости материала производят по потере прочности при сжатии, по потере массы, по степени повреждения образцов. Признаки повреждения (расслоение, шелушение, сквозные трещины, выкрашивание) устанавливаются стандартами на конкретные материалы и изделия.

Для определения потери прочности испытание на морозостойкость и контрольные образцы (насыщенные водой) испытывают на сжатие. Потери прочности определяют в том случае, если это предусмотрено стандартами на конкретные материалы и изделия.

Характеризуют морозостойкость количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдержанных образцом.

Испытание проводят на целых изделиях (кирпич, керамические камни, облицовочная плитка), на образцах кубической или цилиндрической формы (природные каменные материалы, бетоны; на образцах неправильной формы – щебень гравий).

Образцы куба могут иметь размер ребра 100, 150 или 200 мм

Предназначенные для испытания образцы высушивают до постоянной массы, затем насыщают водой до постоянной массы.

Водонасыщенные образцы укладывают в контейнеры с зазорами между образцами не менее 20 мм. Контейнеры с образцами помещают в морозильную камеру после того, как температура в ней понизилась до -15^оС. Время загрузки образцов в камеру не должно превышать 15 мин. После укладки контейнеров с образцами в камеру температура в ней не должна превышать -5^оС. Началом замораживания считают момент установления в камере температуры -15^оС. До конца замораживания температура в камере должна быть не выше -15^оС и не ниже -20^оС.

Продолжительность одного замораживания зависит от средней плотности материала, размера образцов и составляют:

2 часа - для плит толщиной до 25 мм;

4 часа - для материалов плотностью 1200 … 1800 кг/м³ с ребрами куба до 100 мм включительно; для материалов плотностью 1800 кг/м³, с ребрами куба до 150 мм;

6 часов - для материалов плотностью 1200 … 1500 кг/м³ с ребрами куба 150 мм;

8 часов - для материалов плотностью менее 1200 кг/м³ с ребрами куба 150 мм.

При одновременном проведении испытаний в морозильной камере образцов разных размеров или из разных материалов время замораживания принимают наибольшим.

Перерыв в процессе одного замораживания не допускается.

После окончания замораживания образцы в контейнерах полностью погружаются в сосуд с водой. Температура воды должна быть +15 … 20^оС и ее поддерживают на этом уровне в течение всего периода оттаивания.

Продолжительность одного оттаивания должна быть не менее половины продолжительности замораживания.

Одно замораживания и последующее оттаивание составляют один цикл, продолжительность которого не должна превышать 24 часа.

В случае временного прекращения испытания образцы после оттаивания должны храниться в воздушной среде.

При оценке морозостойкости по степени повреждения образцы осматривают через каждые 5 циклов при 15 и 25 циклах попеременного замораживания и оттаивания и через каждые 10 циклов при 35 и 50 циклах. Осмотр образцов производят после их оттаивания.

При оценке морозостойкости по потере массы после испытания образцы природного камня и керамических материалов высушивают при температуре 105 … 110^оС до постоянной массы, образцы других материалов взвешивают в насыщенном водой состоянии с погрешностью не более 0,2 %.

При определении морозостойкости ускоренным методом высушенные до постоянной массы образцы помещают в сосуд с раствором сернокислого натрия так, чтобы образцы были полностью погружены в раствор. Образцы в растворе выдерживают в течение 20 часов при комнатной температуре. Затем образцы вынимают из раствора и помещают в сушильный шкаф, где при температуре 105 … 110^оС в течение 4 часов их сушат. После этого охлажденные до комнатной температуры образцы вновь помещают в раствор сернокислого натрия, выдерживают в течение 4 часов и вновь помещают в сушильный шкаф на 4 часа. В такой последовательности операцию повторяют требуемое число раз. После 3, 5, 10, 15 циклов образцы промывают горячей водой для удаления сернокислого натрия и сушат до постоянной массы.

Потерю массы М образцов вычисляют в процентах по формуле

,

где m₁ - масса образца, высушенного до постоянной массы перед

испытанием, г;

m - масса образца, высушенного до постоянной массы после

испытания, г.

Допускаемая величина потери массы образцов устанавливается стандартами на конкретные материалы и изделия.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

З а д а н и е 1

Определение морозостойкости методом циклического

замораживания и оттаивания

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Камера холодильная;

Контейнер сварной из стальных стержней;

Сосуд с деревянной решеткой для насыщения водой и оттаивания образцов;

Шкаф сушильный с автоматическим регулированием температуры в пределах +40 … 110^оС;

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг.

1. Взвесить образцы.

2. Насытить образцы водой.

3. Уложить в контейнер.

4. Контейнер поместить в холодильную камеру.

5. После окончания замораживания контейнер поместить в сосуд с водой для оттаивания.

6. Повторить пункты 4 и 5 необходимое число раз.

7. Высушить образцы.

8. Взвесить образцы.

З а д а н и е 2

Определение морозостойкости ускоренным методом

в растворе сернокислого натрия

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Шкаф сушильный с автоматическим регулированием температуры в пределах +40 … 110^оС;

Весы технические с пределом взвешивания от 50 г до 1 кг;

Сосуд металлический для насыщения образцов раствором сернокислого натрия.

1. Взвесить образцы.

2. Поместить их в раствор сернокислого натрия.

3. После насыщения вынуть из раствора.

4. Поместить в сушильный шкаф.

5. Повторить пункты 2-4 три-пять раз.

6. Промыть образцы горячей водой.

7. Высушить образцы до постоянной массы.

8. Взвесить образцы.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Потери массы образцов после испытания на морозостойкость вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний пяти образцов.

При испытании щебня или гравия для определения потери массы берут две пробы от каждой фракции материала.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ

Отчет составляется в тетради и содержит название и цель работы, понятие морозостойкости, метод определения морозостойкости, результаты испытания, по которым устанавливается марка.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что называется морозостойкостью?

2. Чем оценивается морозостойкость?

3. От каких факторов зависит морозостойкость?

4. Зачем надо знать морозостойкость различных материалов?

5. Какими методами можно определить морозостойкость?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

КОНСТРУКЦИЙ

Ц е л ь р а б о т ы : изучение метода экспериментального определения величины теплопроводности различных материалов, применяемых в строительстве; использование найденных в ходе выполнения лабораторной работы величин теплопроводности для расчета термического сопротивления ограждающих конструкций.

Теплопроводность – способность строительного материала передавать сквозь свою толщу тепловой поток, образующийся вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих этот материал. Теплопроводность численно характеризуется величиной коэффициента теплопроводности, Вт/(м^.оС), который равен количеству тепла в Дж, проходящему через стенку материала толщиной в 1 м и площадью в 1 м² за 1 ч (3600 с) при разности температур на противоположных поверхностях стенки в 1^оС:

,

где Q - количество тепла, прошедшее через стенку, выполненную

из испытываемого материала, Дж;

l - толщина стены из испытываемого материала (толщина образца), м;

S - площадь сечения, через которое передается тепло, м²;

z - время прохождения теплового потока, с;

Δt - разность температур на противоположных сторонах проводника

тепла, ^оС.

От величины теплопроводности материала зависит термосопротивление, (м^2.оС)/Вт, тепловому потоку стенки из этого материала

,

где δ - толщина стенки, через которую проходит тепло, м;

λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м ^{. о}С).

Низкое значение теплопроводности является положительной характеристикой для стеновых и теплоизоляционных строительных материалов, так как позволяет повысить величину термосопротивления конструкций без увеличения их толщины.

Точный теплотехнический расчет общей толщины стены позволяет, с одной стороны, обеспечить санитарно-гигиенические и энергосберегающие требования, а с другой - не допустить перерасхода дорогостоящих строительных материалов. Необходимым условием получения достоверного расчетного результата является по возможности более точное определение теплофизических показателей материала конструкций ограждения.

Определение фактического коэффициента теплопроводности

строительных материалов с использованием электронного

измерителя теплопроводности ИТП-МГ4

Прибор ИТП-МГ4 предназначен для оперативного определения теплопроводности строительных материалов в образцах путем измерения плотности теплового потока по ГОСТ 7076-99 и методом теплового зонда в изделиях.

П о р я д о к в ы п о л н е н и я р а б о т ы :

1. На первом этапе работы определяют величину средней плотности исследуемых материалов, которую заносят в табл. 1.

2. С использованием справочных таблиц СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника" находят нормативное значение величины удельной теплоемкости с, соответствующей исследуемым материалам. Для большинства строительных материалов значение удельной теплоемкости можно принять:

- для неорганических строительных материалов

С_неорг. ≈ 0,88 кДж/(кг ^{. о}С);

- для полимерных строительных материалов

С_полим. ≈ 1,34 кДж/(кг ^{. о}С).

3. Переключателем "сеть" на блоке управления включают питание прибора ИТП-МГ4 (рис. 3), при этом на индикаторе появляется "0" с мигающим символом "^оС", что свидетельствует о готовности прибора к работе и необходимости ввода в память прибора требуемых данных.

Рис. 3. Общий вид прибора для измерения теплопроводности

строительных материалов ИТП-4МГ

4. Найденные ранее показатели свойств материала следует ввести в электронный блок прибора в следующем порядке:

а) γ- средняя плотность материала, кг/м³;

б) с - удельная теплоемкость материала, кДж/(кг ^{. о}С);

в) α - коэффициент теплообмена в зоне контакта рабочей поверхности теплового зонда с исследуемым материалом. В зависимости от используемого материала смазки следует принять следующие значения коэффициента α: для глицерина – 3,63 см²/ч, для вазелина и литола – 3,05 см²/ч.

После ввода всех необходимых значений производится непосредственное измерение коэффициента теплопроводности путем нажатия на кнопку "ПУСК". По окончании цикла измерения (через 8 … 10 минут в зависимости от исследуемого строительного материала) прибор автоматически вычисляет коэффициент теплопроводности λ по формуле

,

где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м ^{. о}С);

Р - удельная мощность нагрева зонда, определяемая прибором в

Зависимости от условий испытаний, Вт;

α - коэффициент температуропроводности в зоне контакта зонда,

см²/ч;

с - удельная теплоемкость материала, кДж/(кг ^{. о}С);

ΔТ – приращение температуры зонда за фиксированный интервал

времени, ^оС.

Результаты определения коэффициента теплопроводности строительных материалов рекомендуется записывать в табличной форме (табл. 1).

Таблица 1

С увеличением влажности теплопроводность строительных материалов существенно возрастает. Поэтому для неорганических материалов, поверхностные слои которых характеризуются достаточно высокой способностью к адсорбции водяного пара из окружающего воздуха, необходимо уточнить полученную величину теплопроводности с учетом их влажности.

,

где λ - теплопроводность изделий в сухом состоянии, Вт/(м ^{. о}С);

W_эксп - фактическое значение влажности материала в % по массе;

К – коэффициент приращения значения теплопроводности в

зависимости от влажности материала;

λ_влаж - теплопроводность, экспериментально определенная при

влажности материала W_эксп , %.

Для силикатных стеновых материалов значение коэффициента К выбирается в зависимости от средней плотности изделий:

К = 0,009 – для изделий средней плотностью от 1200 до 1500 кг/м³;

К = 0,011 – для изделий средней плотностью от 1500 до 1700 кг/м³;

К = 0,013 – для изделий средней плотностью свыше 1700 до 1900 кг/м³.

П р и м е ч а н и е . За величину влагосодержания материала, находившегося долгое время в воздушно-сухих условиях, можно принять равновесную влажность, равную величине его сорбционного увлажнения. Для кирпича силикатного W_эксп. ≈ W_сорб ≈ 4 %.

Расчетный метод определения коэффициента

теплопроводности силикатного кирпича

Теплопроводность являясь структурно-чувствительной характеристикой строительного материала, интегрально зависит от множества факторов: плотности, дефектов структуры, фазового и минералогического состава вяжущего и заполнителей, гранулометрического состава, влагосодержания, пористости.

Рядом исследователей поддерживается концепция доминирующего влияния плотности материала на его теплопроводящие свойства. На основании этого предположения были получены теплопроводности строительных материалов (табл. 2). Средняя плотность большинства строительных материалов и изделий является справочной величиной, что значительно упрощает использование последней в теплотехнических расчетах.

Таблица 2

Некрасов В.П.
Спектор Б.В.
Власов О.Е.
Кауфман Б.Н.
Бужевич Г.А.

П р и м е ч а н и е . В формулах табл. 2: γ – относительная плотность материала, равная отношению средней плотности исследуемого строительного материала к плотности стандартного вещества, в качестве которого принимается вода при температуре +4^оС.

Анализ вычислений по формулам, приведенным в табл. 2, показывает большой разброс величины теплопроводности материала при одинаковой плотности. Поэтому для использования в инженерных расчетах большинства формул, приведенных в табл. 2, необходимо более точно определить, для какого конкретного материала подходит та или иная формула.

Студентам предлагается выполнить расчеты и выяснить, какая из формул, приведенных в табл. 2, подходит для прогнозирования величины теплопроводности исследованного силикатного кирпича.

П р и м е р расчета коэффициента теплопроводности силикатного кирпича.

Данные для расчета: силикатный кирпич средней плотностью 1700 кг/м³ и влажностью (по объему) 10 %. Необходимо найти коэффициент теплопроводности полнотелого и эффективного силикатного кирпича с объемом технологических пустот, равным 31 %.

По формуле проф. В.П. Некрасова рассчитываем коэффициент теплопроводности сухого кирпича:

Вт/(м^{. о}С).

Находим водопоглощение силикатного кирпича по массе:

.

За окончательный результат необходимо принять значение теплопроводности изделий с учетом их влажности

Вт/(м^{. о}С),

где λ - теплопроводность изделий в сухом состоянии, Вт/(м ^{. о}С);

W_эксп - фактическое значение влажности материала по массе, %;

К – коэффициент приращения значения теплопроводности в

зависимости от влажности материала.

Для определения коэффициента теплопроводности эффективного силикатного кирпича можно использовать формулы, учитывающие термосопротивление от воздушных включений:

,

где λ _кирп - коэффициент теплопроводности полнотелого силикатного

кирпича;

λ _возд - коэффициент теплопроводности воздуха, принимаемый

равным 0,025 Вт//м ^{. о}С);

V_возд - относительный объем технологических пустот в эффективном

силикатном камне, отн. ед.

После подстановки данных получим:

=

= Вт/(м^{. о}С).

Порядок выполнения теплотехнического расчета

ограждающей конструкции из силикатного кирпича

с дополнительным теплоизоляционным слоем

При выполнении теплотехнического расчета прежде всего необходимо убедиться в том, что исследуемая конструкция обеспечит требуемое термосопротивление тепловому потоку .

Для этого на первом этапе расчета определим величину , исходя из соблюдения санитарно-гигиенических норм по формуле

,

где t_в - расчетная температура внутреннего воздуха, ^оС, принимаемая по

нормам проектирования соответствующих зданий (для жилых

зданий t_в = 18^оС);

t_н - расчетная зимняя температура, ^оС, принимаемая в зависимости от

климатических условий строительства (для Поволжья t_нё = - 29^оС);

n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения

огражадющей конструкции по отношению к наружному воздуху

(для стен n = 1);

Δt_н - нормативный температурный перепад между температурой

внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения

(для стен жилых зданий Δt_н = 4^оС);

α_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей

конструкции, α_в = 8,7 Вт/(м^{2 . о}С).

На втором этапе, используя фактические величины коэффициентов теплопроводности, а также толщины силикатного кирпича и утеплителя, находим величину суммарного термосопротивления для данного вида конструкции ограждения:

,

где α_н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения

(для наружных стен α_в = 23 Вт/(м^{2 . о}С);

δ_к - толщина кирпичной кладки ограждающей конструкции;

λ_к - фактический коэффициент теплопроводности кирпича;

δ_ТИМ - толщина слоя теплоизоляционного материала (ТИМ);

λ_ТИМ - фактический коэффициент теплопроводности ТИМ.

На последнем этапе сравнивают полученные в ходе расчета величины R_тр и R₀. При выполнении условия R_тр R₀ конструкция соответствует санитарно-гигиеническим условиям проживания.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое теплопроводность строительного материала? Приведите размерность и математическую зависимость, характеризующую физический смысл этой величины?

2. Чем, по вашему мнению, можно обосновать доминирующее влияние средней плотности материала на его теплопроводность?

3. Что такое термосопротивление строительной конструкции? Как эта характеристика строительных конструкций зависит от физических свойств материалов?

4. Почему при использовании в теплотехнических расчетах для стеновых и теплоизоляционных материалов необходимо учитывать их сорбционное увлажнение?

5. Какими положительными и отрицательными качествами характеризуются полимерные теплоизоляционные материалы и их неорганические аналоги?

М Е Х А Н И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ

Ц е л ь р а б о т ы : изучить методы определения прочности различных материалов под действием сжимающих и изгибающих нагрузок.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами.

Прочность оценивают пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала. Предел прочности определяют при данном виде деформации (сжатии, растяжении, изгибе).

Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные нагрузки, которые способен воспринимать данный материал при заданном сечении, или по заданным нагрузкам рассчитывать технически и экономически целесообразное сечение конструкции из данного материала.

Прочность многих материалов зависит от пористости, средней плотности, влажности.

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. В нормативных документах марка указывается в кгс/см², например, марки цемента М 400, М 500, М 550, М 600. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Сущность метода заключается в испытании образцов на сжатие и изгиб до разрушения и определении предела прочности.

Испытание проводят на образцах правильной геометрической формы, размеры которых зависят от вида и пористости испытуемого материала и должны соответствовать стандартам на конкретные материалы и изделия.

Стандартные образцы для испытаний и их типоразмеры приведены в табл. 3.

Для испытания образцов на сжатие и изгиб применяются гидравлические прессы и универсальные испытательные машины.

Таблица 3

Образец	Эскиз	Расчетная формула	Материал	Размер стандартного образца, см
Куб			Бетон Раствор Природный камень	15 х 15 х 15 7,07х7,07х7,07 5 х 5 х 5 10 х 10 х 10 15 х 15 х 15 20 х 20 х 20
Цилиндр			Бетон Природный камень	d = 15; h = 30 d = h = 5, 7, 10,15
Призма			Бетон Древесина	а = 10;15;20 h = 40;60;80 a = 2; h = 3
Составной образец			Кирпич	а = 12; b = 12,3; h = 3
Половинка образца призмы			Цемент Гипс	а = 4; S = 25 cм2

При испытании на изгиб схемы прикладываемых усилий на образцы могут быть различными, и основные из них приведены в таблице 4.

Таблица 4

Образец	Схема испытания	Расчетная формула	Материал	Размер стандартного образца, см
Призма, кирпич в натуре			Цемент   Кирпич	4 х 4 х 16   12 х 6,5 х 25
Призма			Бетон   Древесина	15 х 15 х 60   2 х 2 х 30

Количество образцов, подлежащих испытании, устанавливается действующими стандартами на конкретные материалы и изделия, но должно быть не менее трех.

Перед испытанием образцы подвергают осмотру и обмеру. Измерения производят с погрешностью не более 1 мм. Каждый линейный размер образца-куба вычисляют как среднее арифметическое результатов трех измерений: двух параллельных ребер, лежащих в плоскости одной грани, и средней прямой, лежащей между этими ребрами. Диаметр цилиндра измеряют в каждом торце по двум взаимно перпендикулярным направлениям и величину его принимают как среднее арифметическое результатов четырех измерений. Высоту образцов - балочек определяют как среднее арифметическое двух измерений боковых граней, ширину образцов – как среднее арифметическое двух измерений верхней и нижней граней.

При испытании на сжатие из слоистых пород направление нагрузки должно быть перпендикулярно направлению слоев. Образец устанавливают в центре опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей верхней грани образца.

Нагрузка на образец при испытании должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20 … 60 с после начала испытания.

Величина разрушающей нагрузки должна составлять не менее 10 % предельно развиваемого прессом усилия.

Предел прочности при сжатии R_сж отдельного образца вычисляют по формуле

,

где Р - наибольшая сжимающая нагрузка, установленная при испытании

образца, Н (кгс);

F - площадь поперечного сечения образца, вычисляемая как среднее

арифметическое площадей верхней и нижней граней, м² (см²).

При испытании на изгиб образцы укладывают на опоры. Нагрузку на образец передают непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение не ранее, чем через 20 с после начала испытания.

Предел прочности при изгибе R_изг отдельного образца вычисляют по формуле:

- при одной сосредоточенной нагрузке, приложенной посередине пролета

,

- при двух сосредоточенных нагрузках, расположенных симметрично оси пролета

,

где Р – наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, Н

(кгс);

l - расстояние между осями опор, м (см);

b - ширина образца, м (см);

h - высота образца посередине пролета, м (см).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

З а д а н и е 1

Определение предела прочности при сжатии

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Гидравлический пресс;

Измерительная линейка.

1. Обмерить образец.

2. Установить образец по центру опорной плиты пресса.

3. Опустить верхнюю плиту пресса на образец.

4. Включить насос пресса и дать на образец нагрузку, следя за скоростью ее нарастания.

5. Зафиксировать нагрузку в момент разрушения образца.

З а д а н и е 2

Определение предела прочности при изгибе

О б о р у д о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с т и.

Гидравлический пресс, позволяющий регистрировать величину разрушающей нагрузки с погрешностью не более 100 Н (10 кгс);

Измерительная металлическая линейка;

Приспособление для испытания, состоящее из подвижного и неподвижного опорных катков и катка для передачи нагрузки от пресса на образец. Диаметр катков – не более 20 мм, длина катке – не менее ширины образца.

1. Обмерить образец.

2. Уложить плашмя образец на опорные катки.

3. Установить каток для передачи нагрузки посередине пролета.

4. Опустить верхнюю плиту пресса на каток.

5. Включить насос пресса и дать на образец нагрузку, следя за скоростью ее нарастания.

6. Зафиксировать нагрузку в момент разрушения образца.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Средний предел прочности при сжатии и изгибе образцов вычисляют с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см²) как среднее арифметическое значение результатов не менее трех испытаний.

При вычислении среднего предела прочности при сжатии не учитывают образцы, предел прочности которых превышает более чем на 40 % среднее значение предела прочности всех образцов.

При вычислении предела прочности при сжатии образцов из природного камня результаты испытания умножают на масштабный коэффициент, который выбирают по таблице 5.

При вычислении предела прочности при сжатии образцов из кирпича и керамических камней со шлифованными гранями результаты испытаний умножают на коэффициент К = 0,7.

Таблица 5

При вычислении предела прочности при сжатии образцов из бетона используют масштабные коэффициенты, приведенные в таблице 6.

Таблица 6

При вычислении среднего предела прочности при изгибе не учитывают образцы, предел прочности которых превышает более чем на 50 % среднее значение предела прочности всех образцов.

СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

Отчет составляется в тетради, дается название работы, цель, схема испытания, записываются результаты определения прочностных характеристик, устанавливается марка материала по прочности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что характеризует механические свойства?

2. Какие свойства относятся к механическим?

3. Что называется прочностью?

4. Что такое предел прочности?

5. От каких факторов зависит прочность материала?