ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

Введение. К основным техническим свойствам всех строительных материалов относятся: масса, плотность, пористость, прочность, водопоглощение, морозостойкость. Они служат как для оценки качества и особенностей применения материалов, так и для различных технико-экономических расчетов. Ряд свойств являются специальными и важны при выборе материала лишь для некоторых условий эксплуатации (водостойкость, химическая стойкость, теплопроводность и др.).

Основные свойства строительных материалов определяют на стандартных образцах в соответствии с ГОСТом, соблюдая следующие условия

1. Массу образцов определяют с погрешностью не более 0,1 %.

2. Размеры образцов правильной геометрической формы определяют с погрешностью не более 1 мм.

3. Объем образцов неправильной геометрической формы определяют с погрешностью не более 1 %.

4. Температура воздуха в помещении, в котором проводят испытания образцов, должна быть (25±10)°С, а относительная влажность воздуха - не менее 60%.

Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т. е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характеристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие истинной и средней плотности.

Истинная плотность – масса единицы объема вещества материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Простейшими приборами, при помощи которых определяют истинную плотность, являются объемомер Ле-Шателье (рис. 1) и пикнометр.

Для подготовки пробы отбирают навеску материала массой не менее 30 г и измельчают ее до полного прохождения через сито с сеткой № 02. Измельчение проводится с целью ликвидации пористости. Приготовленную порошкообразную пробу материала образцов высушивают до постоянной массы при температуре 105–110 °С. Затем пробу охлаждают до температуры помещения в эксикаторе, чтобы избежать поглощение влаги из воздуха.

Определение истинной плотности проводят параллельно на двух навесках массой около 10 г каждая, отобранных от пробы. Навеску высыпают в чистый, высушенный и предварительно взвешенный пикнометр, который затем взвешивают вместе с испытуемым порошком, затем наливают в него воду (или другую инертную жидкость) в таком количестве, чтобы он был заполнен приблизительно до половины объема.

Рис. 1. Объемомер Ле-Шателье

Для удаления воздуха из материала навески и жидкости пикнометр с содержимым выдерживают под вакуумом в эксикаторе до прекращения выделения пузырьков. Допускается (при использовании в качестве жидкости воды) удалять воздух кипячением пикнометра с содержимым в течение 15-20 мин в слегка наклонном состоянии на песчаной или водяной бане.

После удаления воздуха пикнометр заполняют жидкостью до метки и помещают в термостат с температурой 20,0±0,5 °С, в котором выдерживают не менее 15 мин. Затем уровень жидкости доводят до метки по нижнему мениску. После достижения постоянного уровня жидкости пикнометр взвешивают, освобождают от содержимого, промывают, заполняют той же жидкостью, удаляют из нее воздух, выдерживают в термостате, доводят жидкость до постоянного уровня и снова взвешивают.

Истинную плотность ( , г/см³) материала навески вычисляют по формуле

где масса пикнометра с навеской, г;

масса пикнометра, г;

плотность жидкости, г/см³;

масса пикнометра с жидкостью, г;

масса пикнометра с навеской и жидкостью, г.

За значение истинной плотности изделий принимают среднее арифметическое результатов определений истинной плотности материала двух навесок, рассчитанное с точностью до 0,01 г/см³. Расхождение между результатами параллельных определений не должно быть более 0,02 г/см³. При больших расхождениях истинную плотность изделий определяют снова.

Средняя плотность – отношение массы образца материала ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность вычисляют по формуле

где масса материала, кг;

объем материала в естественном состоянии, м³.

Объем образцов правильной геометрической формы вычисляют по их геометрическим размерам. Если образец имеет форму куба или параллелепипеда, то измеряют его длину, ширину и высоту, причем каждую грань измеряют в трех местах и вычисляют среднее арифметическое значение. При определении объема образца цилиндрической формы на каждом из двух параллельных оснований цилиндра проводят два взаимно перпендикулярных диаметра и измеряют их, кроме того, определяют диаметр цилиндра во взаимно перпендикулярном направлении по середине высоты цилиндра. В точках пересечения отрезков диаметров с окружностью оснований измеряют высоту цилиндра. Диаметр цилиндра вычисляют как среднее арифметическое значение из шести указанных измерений. Высоту цилиндра определяют аналогично, исходя из четырех имеющихся измерений.

Объем образцов неправильной геометрической формы определяют с по­мощью объемомера или гидростатическим взвешиванием. Объемомер представляет собой сосуд произвольной формы (рис. 2), величина которого позволяет испытать имеющиеся образцы. В сосуд впаяна трубка внутренним диаметром 8–10 мм с загнутым концом. Объемомер наполняют водой с температурой 20±2 °С до тех пор, пока она не потечет из трубки. Когда падение капель прекратится, под нее ставят предварительно взвешенную емкость. Образец, подготовленный к испытаниям, осторожно погружают на тон­кой проволоке или нити в объемомер, при этом вода, вытесненная образцом, через трубку вытекает в емкость. После прекращения падения капель емкость с водой взвешивают и определяют массу и объем вытесненной воды V_В (см³) по формуле

где т₁ – масса пустой емкости, г;

т₂ – масса емкости с водой, вытесненной образцом, г;

_В – плотность воды, принимаемая равной 1,0 г/см³.

Рис. 2. Объемомер:

1 – сосуд; 2 – трубка; 3 – емкость для сбора воды

Объем образца на гидростатических весах определяют взвешиванием его на воздухе и в воде в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3.

Рис. 3. Гидростатические весы:

1 – сосуд с водой; 2 – подвес для образца; 3 – образец; 4 – весы;

5 – разновес

Точность определения средней плотности зависит от пористости материала, так как образец, погруженный в жидкость, не только вытесняет, но и впитывает ее. Образцы, имеющие мелкопористую структуру, перед испытанием парафини­руют или насыщают водой не менее суток.

Объем предварительно насыщенных водой образцов V₀ (см³) определяют:

– при испытании в объемомере – по формуле

– при испытании на гидростатических весах – по формуле

где – масса насыщенного водой образца, определенная взвешиванием в воздухе, г;

– масса насыщенного водой образца, определенная взвешиванием в воде, г;

– плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

Парафинирование производят следующим образом. Образец, высушенный до постоянной массы, нагревают до 60 °С и несколько раз погружают в расплав­ленный парафин с таким расчетом, чтобы на его поверхности образовалась пленка парафина толщиной около 1 мм. После этого образец взвешивают.

Объем образцов, подготовленных к испытанию парафинированием, определяют:

– при испытании в объемомере – по формуле

– при испытании на гидростатических весах – по формуле

где – масса высушенного образца, г;

– масса парафинированного образца, определенная взвешиванием в воздухе, г;

– масса парафинированного образца, определенная взвешиванием в воде, г;

– плотность парафина, принимаемая равной 0,93 г/см³.

Величину средней плотности определяют не менее чем на трех образцах. Окончательным результатом является среднее арифметическое значение средней плотности из трех замеров.

Насыпная плотность характерна для сыпучих материалов (цемент, песок, щебень, гравий и др.). В этом случае в объем материала включают не только поры в самом материале, но и пустоты между зернами или кусками материала.

Насыпную плотность сыпучего материала определяют путем взвешивания некоторого его объема. Для установления насыпной плотности мелкозернистых материалов пользуются сосудом объемом 1 л. Для крупнозернистых материалов используют цилиндрические сосуды объемом от 5 до 50 л.

Определение производят следующим образом. Из специальной воронки или при помощи совка насыпают материал в предварительно взвешенный сосуд с небольшим избытком, который затем снимают металлической линейкой вровень с краями сосуда. После этого сосуд взвешивают. Насыпную плотность определяют по формуле

где т – масса мерного сосуда, г;

т₁ – масса мерного сосуда с песком, г;

V – объем мерного сосуда, см³.

Пористость материала ( ) характеризуется степенью заполнения его объема порами и вычисляется в процентах по объему по следующей формуле:

где – средняя плотность материала, кг/м³;

– истинная плотность материала, кг/м³;

Пустотность – (объем межзерновых пустот) сыпучих материалов в стандартном неуплотненном состоянии определяют на основании значений средней плотности и насыпной плотности. Пустотность ( ) в процентах по объему вычисляют по формуле

где – средняя плотность сыпучего материала, кг/м³;

– насыпная плотность сыпучего материала, кг/м³.

Водопоглощение – это свойство материала впитывать и удерживать в себе воду при непосредственном соприкосновении с ней. Водопоглощение зависит от наличия в материале открытых пор. Это свойство можно определить тремя методами: 1) постоянным погружением испытуемого образца в воду; 2) кипячением образца с водой; 3) вакуумированием.

Порядок определения водопоглощения по первому методу следующий. Предварительно высушенные при температуре 110 ºС и взвешенные образцы помещают в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы ее уровень в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм. Образцы укладывают так, чтобы высота образ­ца была минимальной (призмы и цилиндры укладывают на бок). Температура воды в емкости должна быть 20±2 °С. Образцы взвешивают через каждые 24 ч водопоглощения с погрешностью не более 0,1 %. При взвешивании образцы, вынутые из воды, предварительно вытирают отжатой влажной тканью. Мас­су воды, вытекшую из пор образца на чашку весов, следует вклю­чать в массу насыщенного образца. Испытание проводят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %.

При определении водопоглощения путем кипячения образцов (второй метод) их подготавливают и компактно укладывают в сосуд с водой, нагревают и доводят до кипения (примерно 1 ч), кипятят приблизительно 5 ч и оставляют остывать до температуры помещения. После этого образцы взвешивают в порядке, указанном выше.

Вакуумирование образцов (третий метод) производят следующим образом. Подготовленные образцы укладывают в вакуумный эксикатор (емкость) на подставку и заливают водой так, чтобы ее уровень был выше верха образца не менее чем на 2 см. Эксикатор закрывают крышкой и вакуумным насосом создают над поверхностью воды разрежение 0,05±0,01 МПа (0,5±0,1 кгс/см²), фиксируемое манометром. Пониженное давление поддерживают, засекая время, до прекращения выделения пузырьков воздуха из образцов, но не более 30 мин. После восстановления атмосферного давления образцы выдерживают в воде столько же времени, сколько под вакуумом, чтобы вода заполнила объем, который занимал удаленный воздух. Далее действуют аналогично двум первым методам.

Водопоглощение образца по массе в процентах определяют с погрешностью до 0,1 % по формуле

где – масса высушенного образца, г;

– масса водонасыщенного образца, г.

Водопоглощение образца по объему в процентах определяют с погрешностью до 0,1 % по формуле:

где V – объем образца, см³.

Влажность материала определяется содержанием влаги, содержащейся в порах и адсорбированной на поверхности, отнесенной к массе материала в сухом состоянии. Влажность зависит как от свойств самого материала (пористости, гигроскопичности), так и от окружающей среды (влажность воздуха, наличие контакта с водой). Для определения данного свойства необходимо взвесить образец в естественном состоянии, а затем высушить его до постоянной массы и вновь взвесить. Влажность в процентах по массе определяется по формуле

где – масса образца в естественном состоянии, г;

– масса высушенного образца, г.

Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения, значительного снижения прочности и потери массы.

Замерзание воды, заполняющей поры материала, сопровождается увеличением ее объема примерно на 9 %, в результате чего возникает давление на стенки пор, приводящее к разрушению материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. Поэтому разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Принимая во внимание неоднородность строения материала и неравномерность распределения в нем воды, удовлетворительную морозостойкость можно ожидать у таких пористых материалов, в которых вода заполняет не более 80 % пор, т. е. объемное водопоглощение таких материалов составляет не более 80 % открытой пористости. Плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%, обладают высокой морозостойкостью. Морозостойкость имеет большое значение для стеновых материалов, систематически подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию, а также для материалов, применяемых в фундаментах и кровельных покрытиях.

Для определения морозостойкости материалов контрольные и основные образцы насыщают водой. Контрольные образцы после водонасыщения испытывают на прочность. Основные образцы загружают в морозильную камеру в контейнере или устанавливают на сетчатый стеллаж камеры таким образом, чтобы расстояние между образцами, стенками контейнеров и вышележащими стеллажами было не менее 50 мм. Началом замораживания считают момент установления в камере температуры –16 °С. Образцы после замораживания оттаивают в ванне с водой при температуре 18±2 °С. При этом образцы должны быть погружены в воду таким образом, чтобы над верхней гранью был слой воды не менее 50 мм. Продолжительность циклов замораживания и оттаивания зависит от вида материала и от размеров образца. Число циклов переменного замораживания и оттаивания, после которых должно проводиться определение прочности или потери массы образцов, устанавливают в соответствии ГОСТом на испытуемый материал.

Материал признают морозостойким, если после заданного числа циклов замораживания и оттаивания потеря в массе образцов в результате выкрашивания и расслаивания не превышает 5 %, а прочность снижается не более чем на 25 %. Степень морозостойкости материала можно охарактеризовать коэффициентом морозостойкости:

где – предел прочности при сжатии образцов материала после испытания на морозостойкость, МПа;

– предел прочности при сжатии насыщенного водой материала, МПа.

По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания материалы подразделяют на марки F10; F15; F25; F35; F50; F100; F150; F200 и т. д.

Для некоторых материалов существуют ускоренные методы определения морозостойкости. Суть одного из методов заключается в насыщении основных и контрольных образцов перед испытанием 5% водным раствором хлористого натрия. Затем образцы испытываются по приведенной выше методике с тем отличием, что оттаивание производится в растворе хлористого натрия. Еще один ускоренный метод аналогичен описанному, однако температуру в морозильной камере опускают до –50…55 °С. К примеру, для бетонов, выдержавших 8 циклов ускоренного попеременного замораживания-отаивания по третьему методу или 75 циклов по второму методу, назначается марка по морозостойкости F300.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих под влиянием внешней нагрузки. Поскольку в реальных конструкциях материал испытывает различные внутренние напряжения – сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение то и прочность материалов обычно характеризуется величиной предела прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т. д. Численно предел прочности равен напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение образца.

Предел прочности материала определяют опытным путем, испытывая в лаборатории на гидравлических прессах или разрывных машинах специально изготовленные образцы (разрушающие методы), либо при помощи неразрушающих методов – склерометрического, ультразвукового и т. д. Для испытания образца на сжатие образцы изготовляют в виде куба или цилиндра, на растяжение – в виде круглых стержней, полос или «восьмерок», на изгиб – в виде балочек. Форма и размеры образцов должны строго соответствовать требованиям ГОСТа на каждый вид материала.

Предел прочности при сжатии или растяжении , МПа, равен разрушающей силе, приходящейся на единицу площади первоначального сечения материала в момент разрушения образца:

где – разрушающая сила, Н;

– площадь поперечного сечения образца, мм².

Предел прочности при изгибе на образце-балке прямоугольного сечения при одном сосредоточенном грузе, расположенном от опоры на расстоянии, равном половине пролета между опорами, определяется по формуле

где – разрушающая сила, Н;

– пролет между опорами, мм;

и – ширина и высота поперечного сечения балки, мм.

Предел прочности при изгибе на образце-балке прямоугольного сечения при двух сосредоточенных грузах, расположенных симметрично, на расстоянии от опор, равном 1/3 пролета между опорами определяется по формуле

где – расстояние между грузами, мм.

Прочность строительных материалов обычно характеризуется маркой, которая соответствует по величине пределу прочности при сжатии, полученному при испытании образцов стандартных форм и размеров. К примеру, обозначение марки по прочности при сжатии М150 соответствует прочности 150 кгс/см² (15 МПа).

«___» ____________ 20__ г.

Журнал испытаний

1. Определение средней плотности

Задание. Ознакомиться с методами определения средней плотности материалов в образцах правильной формы, в образцах неправильной формы, в образцах неправильной формы с пористой структурой. Провести необходимые измерения для определения средней плотности нескольких материалов.

I. Определение средней плотности материалов в образцах правильной формы.

Методика __________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Приборы ___________________________________________________

___________________________________________________________

Формула для определения средней плотности ____________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Таблица 1

Результаты испытаний по определению средней плотности в образцах правильной формы

Наименование материала	а, см	b, см	h, см	V, см3	m, кг	γ
						г/см3	кг/м3

II. Определение средней плотности материалов в образцах неправильной формы.

Методика __________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Приборы ___________________________________________________

___________________________________________________________

Таблица 2

Результаты испытаний по определению средней плотности в образцах неправильной формы

Наименование материала	V1, см3	V2, см3	V, см3	m, кг	γ
					г/см3	кг/м3

III. Определение средней плотности материалов в образцах неправильной формы с пористой структурой.

Методика __________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Приборы ___________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Формула для определения средней плотности в образцах неправильной формы с пористой структурой _____________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

2. Определение насыпной плотности материалов

Задание. Ознакомиться с методикой определения насыпной плотности материалов. Определить насыпные плотности нескольких материалов.

Методика __________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Приборы ___________________________________________________

___________________________________________________________

Формула для определения насыпной плотности __________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Таблица 3