книги из ГПНТБ / Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник
.pdfQ _из древесины; б — стали; в — цементного раствора; г — битума.
Испытание на разрыв проводят на разрывных машинах и приборах, снабженных захватами, в которые закладывают образец. Предел прочности при растяжении определяют как частное от деления разрушающей силы на площадь образца до разрыва. В некоторых случаях прочность оценивается разрушающей силой, приложенной к стандартному образцу (испытание прочности ру
лонного материала).
Для испытания на изгиб образец установленной формы (рис. 7) кладут на две опоры и нагружают грузом, приложенным по средине образца. Предел прочности при изгибе для балки прямо угольного сечения с приложенным посередине грузом определяют по формуле
р __ |
М __ _ 3 _ £ / НІМ.2 |
Киз — |
W — 2 Ыіг Н/М ’ |
где М — изгибающий момент, н • м\ W — момент сопротивления, мг;
р — груз, действующий на образец, я; I — расстояние между опорами, м\
b — ширина поперечного сечения образца, м; h — высота поперечного сечения образца, м.
При двух одинаковых сосредоточенных грузах, приложенных симметрично относительно оси балки, Rm определяют по формуле
R из |
3P (I — а) |
Н /М 2, |
|
Ыі2 |
|||
|
|
где а — расстояние между грузами, м.
Предел прочности при изгибе Rn3 вычисляют по этим же фор мулам, но изгибающую нагрузку увеличивают до максимальной.
Обычно разрушение строительных материалов при испытании на изгиб начинается с нижней, растянутой зоны.
Пределы прочности некоторых материалов при сжатии, растя жении и изгибе приведены в табл. 4.
Пределы прочности некоторых |
материалов |
Т а б л и ц а 4 |
||
|
|
|||
Материалы |
|
Предел прочности, н /м 2, |
ІО4 |
|
при сжатии |
I при растяжении I |
при изгибе |
||
|
||||
Бетон тяжелый |
75—600 |
11— 35 |
15—55 |
|
Гранит . . . |
500—2500 |
49— 78 |
100— 140 |
|
Кирпич . . . |
75—200 |
15—30 |
8— 27 |
|
Сталь . . . . |
|
3500— 10000 |
|
|
На скалывание испытывают главным образом образцы древе сины. В зависимости от направления действующих сил различают скалывание вдоль и поперек волокон.
Рис. 7. Образцы для испытания на изгиб:
а — из кирпича; б —і древесины; в — стандартного цементного раствора; г — волнистого асбестоцементного листа вдоль волны; д — черепицы; е *=>бетона.
Каменные материалы (природные и искусственные), применяе мые для устройства дорог, полов, тротуаров, фундаментов под молоты и т. д., подвергаются ударным нагрузкам. Испытание на удар каменных материалов производят на специальном копре. Об разцы для испытания применяют в виде цилиндриков диаметром и высотой 25 мм.
Сопротивление каменного материала удару определяется коли чеством работы, затраченной на разрушение принятого стандарт ного образца, или удельной работой, отнесенной к единице его объема или площади.
Ударная вязкость материала (удельная ударная вязкость) — это механическая характеристика, определяемая величиной рабо ты, расходуемой для ударного излома, отнесенной к рабочей пло щади поперечного сечения образца (обычно в месте надреза).
Образцы металла испытывают на ударную вязкость при изгибе на специальных маятниковых копрах.
О прочностной эффективности материала в целом судят по так называемому коэффициенту конструктивного качества, который получают делением предела прочности при сжатии на величину объемной массы материала. Наиболее эффективными являются материалы с наименьшей объемной массой и высокой проч ностью.
Твердость. Твердостью материала называют способность со противляться проникновению в него других более твердых тел.
Твердость часто определяет способность материала к истирае мости или степень его обрабатываемости различными инструмен тами и механизмами.
Степень твердости различных материалов определяют разны ми методами (Бринеля, Роквелла, Шора), размерность твердости различна. Поэтому понятие «твердость» является условной вели чиной.
Испытанию на твердость подвергают в основном горные поро ды и металлы. Степень твердости однородных каменных материа лов определяют по шкале сравнительной твердости Мооса. Степень твердости некоторых материалов по этой шкале:
Т а л ь к .............................. |
|
|
Ги пс . |
......................... . |
2 |
К а л ь ц и т |
. . . . . . 3 |
|
П л а в и к о в ы й ш пат . . |
4 |
|
А п а т и т |
......................... . |
5 |
О р т о к л а з |
• . • |
К в а р ц |
. . . . |
Т о п а з .................... |
|
К о р у н д |
. . • • |
А л м а з |
. . . . |
. . . . |
6 |
. . . |
7 |
. . . |
10 |
Сопротивление истиранию и износу. От твердости материалов зависит их сопротивление истиранию и износу. Сопротивление истиранию определяют главным образом для материалов, пред назначенных для полов, дорожных покрытий и др.
Степень истирания материала выражают в процентах потери массы образца, отнесенной к 1 м2 площади, при испытании на спе циальном аппарате — диске истирания с установленным количе ством оборотов вращения при заданном давлении на образец.
Гранит ..................... |
1.0 |
— |
5,2 |
Клинкерный кирпич |
2,2 |
— 4,3 |
|
Цементный раствор |
6.0 |
- |
15,0 |
Некоторые материалы испытывают также на износ (совместное действие истирания и удара) в специальном приборе.
Обрабатываемость. Под обрабатываемостью подразумевают способность материала поддаваться обработке инструментами.
Гвоздимость. Гвоздимость, или способность удерживать гвозди, шурупы при определенных условиях выдергивания, также является важным техническим свойством некоторых строительных мате
риалов.
Упругость. Упругостью называют способность материала при нимать первоначальную форму и объем после удаления нагрузки.
За предел упругости принимают напряжение, при котором оста точные деформации материала имеют малую величину, допускае мую нормами для каждого вида материала. Примером упругих материалов (в определенных пределах) могут служить сталь, дре весина, резина и др.
Пластичность. Пластичностью называют свойство материала сохранять деформированную под действием нагрузки форму после удаления нагрузки. Такими свойствами обладают свинец, некото рые сорта стали, увлажненная глина. Пластичность некото рых материалов повышается с нагревом и понижается с пониже нием температуры (сталь, битумы, некоторые пластмассы).
Хрупкость. Хрупкость — свойство материала разрушаться без пластической деформации. К хрупким материалам относят обыч ное стекло, чугун, бетой и др.
Ползучесть. Ползучестью называют свойство материала про являть при длительном загружении нарастающие неупругие де
формации.
Ползучесть в разных материалах проявляется при различных условиях. Например, ползучесть бетона, гипса, асбестоцемента проявляется при обычных, а металлов — при повышенных темпе ратурах.
Усталость. При длительных переменных нагрузках строитель ные материалы обнаруживают усталость и могут разрушаться при напряжениях, значительно меньших предела прочности.
Усталость материалов имеет особое значение для элементов мостов, мостовых кранов и др.
Релаксация. Падение напряжения в материале при постоянной начальной деформации называют релаксацией. Релаксация обна руживается в материале вследствие постепенного перехода упру гой деформации в пластическую и особенно усиливается при по вышении температуры.
Степень дисперсности, удельная поверхность измельченных ма териалов. Многие неорганические материалы, например вяжущие, глины, пигменты, представляют собой дисперсные твердые частицы.
Часто получение строительных материалов и изделий из тон кодробленых порошков основано на том, что вещество (цемент, гипс) взаимодействует с водой и образует твердеющие со време нем продукты реакций. Одним из условий, обеспечивающих актив ность вяжущего вещества в реакциях с водой, служит степень его дисперсности.
По мере увеличивающейся степени дробления вещества значи тельно увеличивается суммарная поверхность его частиц, т. е. возрастает удельная поверхность, отнесенная к единице объема или веса вещества. Удельную поверхность выражают обычно в см2/г. Например, цемент размалывается до тонкости помола, соот ветствующей 3500—5000 см2/г.
§ 4. Новые методы определения свойств материалов
Многие характеристики при определении свойств строительных ма териалов обычными способами получают после разрушения образ ца материала или изделия. Испытания материалов разрушающими методами сложны и не всегда объективны. Особенно сложно испы тывать изделия в конструкциях.
Между тем многие основные характеристики материалов мож но получить без их разрушения, т. е. адеструктивными методами, используя современные способы исследования, основанные на до стижениях физики, радиоэлектроники и др. К ним относятся: ультразвуковые, вибрационные, радиоизотопные, магнитометриче ские, электрические и другие методы.
Для оценки качества строительных изделий без разрушения широко применяются ультразвуковые импульсные приборы и при боры механического действия.
Ультразвуковой импульсный метод основан на определении характеристик распространения импульсов упругих воли ультра звуковой частоты в теле. С помощью ультразвуковых приборов определяется скорость распространения упругих волн (основная характеристика, связанная с упругими свойствами -и плотностью материала), а также дополнительные акустические характеристики (затухание сигнала, его частота), связанные с неупругими свой ствами материала и его влажностью.
На рис. 8 показан серийно выпускаемый отечественной про мышленностью ультразвуковой прибор типа УКБ-1м. Прибор ис пользуется для оценки прочности бетона в изделиях и конструк циях, для выявления дефектов структуры бетона (дефектоскопия). Прибор позволяет измерять время прохождения упругих волн в образцах и изделиях в микросекундах (ІО-6 сек) и их долях.
Скорость распространения упругих волн в материале в м/сек определяется по формуле
, = f - i o \
где I — база измерения, см\
t — измеренное прибором на этой базе время распространения ультразвука в микросекунду.
Рис. 8. Испытания материалов без разрушения при помощи ультразвукового импульсного прибора:
/ — п р и б о р ; 2 — о б р а з е ц ; 3 — щ у п ы .
Прочность бетона R определяется по эмпирической зависимо сти между скоростью импульсов и прочностью при сжатии, полу чаемой путем ультразвуковых и механических испытаний конт рольных образцов бетона проектной марки.
По полученным данным методом математической статистики находят кривую связи «прочность — скорость» (тарировочную кри вую), при помощи которой по данным ультразвуковых измерений непосредственно в конструкциях определяют среднюю прочность бетона конструкции или отдельных ее участков. Определяя ско рость распространения ультразвуковых импульсов в изделии или конструкции и находя соответствующие им по тарировочной кри вой значения прочности бетона на сжатие, находим усредненную по линии прозвучивания прочность на сжатие нескольких как бы изъятых из конструкции контрольных образцов.
Ультразвуковой импульсный метод дает достаточно точные данные о средней прочности бетона конструкции. Если в конструк ции выявляются участки, резко отличающиеся от других по ско рости распространения импульса, то средняя прочность должна быть определена в отдельности для каждого участка.
Тесная связь между ѵ и R и точность определения прочности в конструкции обеспечиваются при соблюдении следующих условий:
контрольные образцы соответствуют по составу бетону кон струкций;
образцы изготовляют и подвергают тепловлажностной обра ботке по той же технологии, что и конструкции, испытывая их в одном возрасте.
При недостаточном количестве имеющихся в наличии контроль ных образцов бетона или отсутствии их для получения тариро вочной кривой рекомендуется получать привязочные данные, т. е. путем ультразвуковых измерений и механических испытаний
ограниченного числа образцов, принятого состава или вырезанных из конструкции, получить соотношение между средней скоростью импульса в образцах окуб и их средней прочностью на сжатие RUy6- Средняя прочность тяжелого бетона в конструкции определяет
ся по формуле
где RKHC — средняя |
прочность бетона в конструкции при сжа |
тии, н/лі2; |
|
Якуб — средняя |
прочность бетона в кубах при сжатии, н/лг2; |
Укис — средняя скорость импульсов в конструкции, м/сек\ |
|
Пкуб — средняя |
скорость импульсов в кубах, м/сек. |
Для создания автоматизированных поточных линий производ ства строительных материалов и определения их оптимальных тех нологических параметров необходимо исследовать свойства ис ходных материалов, физико-химические процессы, сопутствующие формированию структуры материала на разных стадиях производ ства (сушка, обжиг, автоклавная обработка и др.) и при различ ном применении.
Такие исследования проводят при помощи химического, комп лексного термического, рентгеноструктурного, петрографического анализов, метода замедленной киносъемки и др.
На основании химического анализа материала молено опре делить его чистоту, пригодность в качестве исходного сырья, отношение материала к различным воздействиям в процессе экс плуатации. возможность сочетания одного материала с другим.
Комплексный термический анализ обычно включает дифферен циальные, термографические, гравиметрические, электрометриче ские и дилатометрические исследования.
Дифференциальный термографический анализ основан на из мерении разности температур эталонного и исследуемого веществ. Этим анализом определяют температуры фазовых превращений (кристаллизацию, удаление различных видов воды, полиморфные превращения, диссоциацию и др.) по наличию эндо- и экзотерми ческих эффектов при структурообразовании материалов.
При помощи гравиметрического анализа определяют потери массы вещества (воды, газообразных окислов и др.) в процессе структурообразования.
Электрометрический анализ, основанный на изменении элек тропроводности материалов от различных факторов, позволяет определять процессы, происходящие при формировании материала (удаление воды, появление жидкой фазы, начало спекания и др.).
Дилатометрический анализ позволяет определять изменение объема исследуемого вещества в период его структурообразования (усушка, усадка, вспучивание).
В зависимости от характера вещества и задач исследований перечисленные методы можно применять в комплексе или от дельно.
В основу рентгеноструктурного анализа положена дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке вещества. Рент геноструктурный анализ позволяет определить качественный и
количественный состав вещества, тип кристаллической решет ки и др.
Представление о составе и строении материалов можно полу чить методом петрографического анализа с помощью оптической и электронной микроскопии.
В оптической микроскопии используют поляризационные мик роскопы, работающие в проходящем и отраженном естественном и поляризованном свете. Для исследования образцов в прохо дящем свете приготовляют специальные шлифы толщиной 20— 30 мк. В отраженном свете применяют аншлифы. Для изучения порошкообразных материалов пользуются иммерсионным методом изготовления препаратов, позволяющим определить показатель преломления исследуемого вещества.
Поляризационные микроскопы дают увеличение в 90—1000 раз. Такое увеличение частиц вещества не всегда достаточно для изу чения структурных составляющих строительного материала.
Поэтому для глубоких микроструктурных исследований при меняют электронные микроскопы, в которых с помощью дифрак ции пучка электронов получают увеличение исследуемого вещества в десятки тысяч раз.
Существует метод исследования изменений, происходящих в структуре материала, замедленной микрокиносъемкой. При иссле довании микроструктуры строительных материалов обычными методами исследователь наблюдает состояние вещества лишь на данный момент. Для наблюдения за изменением состояния и свойств вещества .(например, за ростом минералов цемента и др.) потребовался бы длительный промежуток времени. Путем замедлен ной микрокиносъемки можно зафиксировать различные моменты структурообразования материала (например, твердение цементно го теста) и демонстрировать их затем на экране. Полученные сведе ния можно использовать для регулирования протекания процесса.
§ 5. Статистические методы оценки свойств материалов
Практика показывает, что прочность строительных материалов об ладает изменчивостью (вариацией). Это означает, что при испы таниях группы образцов из одного и того же материала числовые значения прочности (например, предела прочности при сжатии) образцов отличаются, то есть варьируют в некоторых пределах, изменяясь от Дт1п (наименьшего значения) до Дтах (наибольшего значения). Эта изменчивость возникает вследствие многих при чин, т. е. носит статистический характер. Поэтому для количе ственной оценки прочности используют статистические методы, основанные на применении теории вероятностей и математической статистики.
Математическая статистика позволяет с достаточной точно стью и надежностью изучать закономерности, проявляющиеся при экспериментальных исследованиях свойств материалов, устанавли вать связи между ними путем проведения небольшого числа экс периментов.
Одной из математико-статистических теорий, находящих при менение в исследовании свойств материалов, является теория выборок. Теорией выборок разработаны приемы, позволяющие по данным небольшого количества экспериментов делать достаточно точные заключения об изучаемом свойстве всей партии мате риала.
Статистическая теория, исследующая количественные связи между свойствами материала, каждое из которых является реа лизацией определенного массового процесса, называется теорией
корреляции.
Теория корреляции позволяет оценить количественную зависи мость одного фактора от других и измерить степень «тесноты» указанной зависимости.
При линейном характере связи переменных величин степень ее тесноты характеризует коэффициент корреляции г, при нелинейной связи — корреляционное отношение т). Абсолютные значения г и т] лежат в пределах от нуля до единицы. Чем больше их величина, тем теснее связь между величинами. При г и т) > 0,6 0,7 можно говорить о существенной корреляционной связи между перемен ными.
Приведем характеристики, необходимые для любого статисти ческого исследования. Пусть в результате экспериментального исследования получены данные количественного распределения определенного свойства материала, например, распределения проч ности п образцов бетона:
X |
m |
* 1 |
m-L |
Хі |
m2 |
xk |
mk |
s |
n |
Здесь хи х2, ..., Xk — прочность образцов, расположенная в возрастающем порядке; гп\, пг2, ..., гпь — частоты образцов, соот ветствующие данным значениям прочности. Например, прочность Х\ имеют ті образцов, прочность х2 имеют т2 образцов и т. д. Сумма частот дает количество всех испытаний — объем совокуп
ности п.
Первой основной статистической характеристикой является
средняя арифметическая х, определяемая по формуле
к
2 xlmi
~<=1
Эта характеристика дает представление о среднем значении исследуемого свойства, вокруг которого группируются остальные значения.
Второй статистической характеристикой является дисперсия, которая характеризует степень рассеяния (разброса) отдельных
экспериментальных значений х относительно среднего значения х и определяется по формуле
k
2 (хі —xf mi i=\
n
Корень квадратный из дисперсии называют средним квадра тичным отклонением (стандартом) и определяют по формуле
I
а =
Во многих случаях удобно рассматривать безразмерную вели чину, характеризующую изменчивость исследуемого свойства —
коэффициент вариации Сѵ, определяемый по формуле
С0 = а
X
или в процентах
|
|
с „ |
4 |
- 100. |
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
Пример. Рассмотрим вычисление статистических характеристик |
распределения |
||||||
прочности 27 |
образцов гранитного камня (табл. |
5). |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 5 |
Статистические характеристики распределения прочности образцов |
|
||||||
н[мі |
тп |
тх-Ю—5 |
(*—д:)10—5 |
(.г—х)г ІО-10 т(х—х)Ч0—1® |
|||
850 |
1 |
850 |
|
—270 |
72 900 |
72 900 |
|
900 |
2 |
1800 |
|
—220 |
48 400 |
96 800 |
|
950 |
2 |
1900 |
|
— 170 |
28 900 |
57 800 |
|
1000 |
5 |
5000 |
|
— 120 |
14 400 |
72 000 |
|
1050 |
3 |
3150 |
|
—70 |
4900 |
14 700 |
|
1100 |
7 |
7700 |
|
—20 |
400 |
2 800 |
|
1150 |
2 |
2300 |
|
+ 3 0 |
900 |
1 800 |
|
1200 |
2 |
2400 |
|
+ 8 0 |
6400 |
12 800 |
|
1250 |
1 |
1250 |
|
+ |
130 |
16 900 |
16 900 |
1300 |
1 |
1300 |
|
+ |
180 |
32 400 |
32 400 |
1350 |
1 |
1350 |
|
+230 |
52 900 |
52 900 |
|
1400 |
1 |
1400 |
|
+ 2 8 0 |
78 400 |
78 400 |
|
2 |
28 |
30 400 |
|
|
|
- |
512 200 |