Министерство образования и науки Российской Федерации

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.