методические указания к выполнению лабораторных работ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
4
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ
НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Вопросы допуска к выполнению лабораторной работы
1. Классификация строительных материалов по назначению.
2. Что служит сырьем для производства строительных материалов?
3. Чем отличаются искусственно полученные материалы от природных?
4. Классификация свойств строительных материалов.
5. От каких факторов зависят следующие свойства материалов:
– механические;
– гидрофизические;
– теплофизические;
– акустические;
– технологические.
6. Виды макроструктуры материалов.
7. Понятие стандартизации строительных материалов.
8. Назначение государственных стандартов: «Технические условия»,
«Методы испытания».
9. Этапы контроля качества строительных материалов.
Долговечность строящихся зданий и сооружений во многом определяется качеством применяемых при строительстве материалов, т.е. суммой
важнейших свойств, которые обеспечивают их надежную работу в процессе эксплуатации объекта.
Свойства материалов и изделий оценивают путем проведения испытаний по соответствующим стандартным методикам (ГОСТам). Отступление от этих методик может привести не только к большому разбросу полученных при испытании значений, но, что особенно опасно, неправильным
выводам по применению материалов и, как следствие, к их разрушению.
Свойства материалов зависят от их состава и структуры. При одинаковом вещественном составе макроструктура оказывает существенное
влияние на их свойства и применение.
В зависимости от происхождения природных материалов (древесина,
горные породы) и технологии получения искусственных материалов и изделий (стеклянных, керамических и др.) макроструктура может быть плотной, мелкопористой, ячеистой и волокнистой. Абсолютно плотные материалы (стекло, металлы) имеют р = рср. Они обладают высокой прочностью, морозостойкостью, хорошо пропускают тепло и звук. Для пористых
материалов (цементный камень, кирпич и др.) истинная плотность всегда
больше средней. Чем больше эта разность, тем больший объем занимают
поры. Это обеспечивает материалу хорошие акустические и теплоизоляционные свойства, легкость.
5
Цель работы
Студент должен приобрести:
1. Навыки:
– определения основных физических свойств строительных материалов;
– работы с используемыми приборами и оборудованием;
– обработки результатов испытаний.
2. Умения:
– устанавливать общую зависимость между характеристиками физических свойств материалов;
– анализировать полученные результаты, оценивать влияние структуры исследуемых материалов на их эксплутационные свойства;
– делать выводы о рациональном применении материалов.
Используемые приборы и оборудование:
1. Лабораторные и настольные циферблатные весы.
2. Пикнометры.
3. Гидростатические весы.
4. Воронка и мерные металлические цилиндры емкостью 1; 5;10 л.
5. Мерный стеклянный цилиндр.
6. Емкость для кипячения образцов.
7. Баня песчаная или водяная.
8. Шкаф сушильный.
Для изучения влияния макроструктуры материалов на их свойства в
работе использованы неорганические материалы с разной структурой:
плотной, мелкопористой, ячеистой, рыхлозернистой.
Для этих материалов определяют показатели, представленные в табл. 1.
Таблица 1
Основные физические свойства строительных материалов
Истинная плотность
Средняя плотность
Насыпная плотность
Общая пористость
Пустотность
Водопоглощение по массе
Открытая пористость
Коэффициент теплопроводности
г/см3
г/см3
кг/м3
%
%
%
%
Вт/м°С
–
–
–
–
щебень
плотных
горных
пород
гравий
керамзитовый
Единица
измерения
ячеистой
структуры
Наименование
показателей
кирпич
керамический
Материалы
–
–
Примечание. Прочерк здесь и в следующих таблицах лабораторного практикума означает, что для материала данные испытания не проводят.
6
1. Определение истинной плотности
Истинная плотность численно равна массе единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии без пор, пустот и трещин. Следовательно, истинная плотность – это плотность вещества, из которого состоит
материал. Для материалов и изделий, имеющих одинаковый вещественный
состав, истинная плотность одинакова (кирпич, керамзит).
Для определения этого показателя используют предварительно высушенную и измельченную пробу материала. Чем больше степень измельчения, тем плотнее расположение частиц в объеме и, следовательно,
меньше ошибка опыта.
Навеску порошкообразного материала 30 г с помощью воронки переносят в пикнометр вместимостью 100 см3. Порошок заливают водой
примерно на 1,5 см выше уровня материала и ставят пикнометр на водяную или песчаную баню в наклонном положении. Для удаления пузырьков
воздуха и уплотнения порошка смесь кипятят 15 – 20 мин. После этого
колбу охлаждают до комнатной температуры, доливают водой до метки
(по нижнему мениску) и взвешивают с точностью до 0,1 г. Затем содержимое выливают, пикнометр ополаскивают и, заполнив водой до метки,
взвешивают.
Истинную плотность ρ, г/см3 рассчитывают по формуле
m B
,
m m1 m 2
(1)
где m – масса навески порошка, г; ρв – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см3; m1 – масса пикнометра с водой, г; m2 – масса пикнометра с навеской порошка и водой, г.
2. Определение средней плотности
Средняя плотность численно равна массе единицы объема материала в естественном состоянии (с пустотами и порами) с точностью до 1 г
(при массе более 500 г).
Объем образца правильной формы (пеносиликат, кирпич, зерна
керамзита) рассчитывают, замеряя геометрические размеры при помощи
штангенциркуля или металлической линейки. При размерах образца до
100 мм точность замера составляет 0,1 мм; свыше 100 мм – 1 мм. Массу
образца определяют с точностью до 0,1 г (при массе до 500 г) и с точностью до 1 г (при массе более 500 г). На основании полученных данных
среднюю плотность ρср, г/см3 вычисляют по формуле
ср
m
,
V
где m – масса образца, г; V – объем образца, см3.
7
(2)
Объем образцов неправильной формы (зерна щебня) определяют
при помощи гидростатического взвешивания. Согласно закону Архимеда
на тело, находящееся в жидкости, действует выталкивающая сила, равная
весу вытесненной жидкости.
Так как в работе в качестве жидкости использована вода, плотность
которой равна 1 г/см3, то, следовательно, объем образца численно равен
выталкивающей силе, рассчитанной как разность массы образца на воздухе
и в воде.
Для определения объема предварительно взвешенный высушенный
образец покрывают тонким слоем расплавленного парафина с целью гидроизоляции открытых пор, проникновение воды в которые может повлиять
на достоверность полученных результатов.
После парафинирования производят взвешивание образца сначала на
воздухе, подвесив его на нити к левому коромыслу гидротехнических весов, а затем в воде, исключая соприкосновение с воздухом, стенками и
дном емкости.
Расчет средней плотности проводят в следующей последовательности.
Объем парафина Vn,см3, затраченного на покрытие образца
Vп
m1
m
,
(3)
п
где т – масса высушенного образца, г; m1 – масса образца, покрытого парафином на воздухе, г; ρп – плотность парафина, принимаемая 0,93 г/см3.
Объем образца с парафином V1, см3
V1
m1
m2
,
(4)
B
где m1 – масса образца, покрытого парафином, на воздухе, г; m2 – масса
образца в воде, г; ρB – плотность воды, равная 1 г/см3.
На основании полученных результатов формул (3), (4) рассчитывают
среднюю плотность образца ρср, г/см3
ср
m
.
V1 Vп
(5)
Песок, щебень, гравий используют в строительстве в виде рыхлозернистых смесей. Поэтому для таких материалов определяют не только
среднюю плотность зерен, но и насыпную плотность их совокупности.
Насыпная плотность – это масса рыхлозернистых материалов в единице объема в свободном, неуплотненном состоянии.
Для определения насыпной плотности в цилиндр известного объема
засыпают с высоты 10 см высушенный материал с горкой. При этом песок,
который представляет песчано-гравийную смесь, пропускают через воронку с ситом диаметром 5 мм.
8
Объем цилиндра выбирают в зависимости от размера зерен: до 5 мм
– 1 – 2 л; от 5 до 10 мм – 5 л; от 10 до 20 мм – 10 л; от 20 до 40 м – 20 л;
свыше 40 мм – 50 л.
Излишки материала снимают линейкой вровень с краями (без уплотнения) движением от себя, взвешивают цилиндр с материалом.
Насыпанную плотность ρн, кг/м3 определяют по формуле
к
m1 m
,
V
(6)
где т – масса мерного цилиндра, кг; m1 – масса мерного цилиндра с материалом, кг; V – объем мерного цилиндра, м3.
Для оценки достоверности полученных результатов их сравнивают с
табличными данными (табл. 2).
Таблица 2
Плотность некоторых строительных материалов
Материалы
Щебень гранитный
известняковый
доломитовый
Гравий керамзитовый
Песок кварцевый
Кирпич керамический
одинарный
Бетон тяжелый
Сталь строительная
Стекло строительное
истинная
2600 – 2800
2400 – 2600
2400 –2600
2600 – 2700
2500 – 2650
2600 – 2700
Плотность, кг/м3
средняя
2500 – 2700
1800 – 2400
1800 – 2400
650 – 800
–
1600 – 1900
2600 – 2900
7850 – 7900
2500 – 2600
1800 – 2500
7800 – 7850
2400 – 2500
насыпная
1450 – 1650
1200 – 1300
1200 – 1300
200 – 1300
1450 – 1700
–
–
3. Определение водопоглощения
Водопоглощение материалов – важный показатель с точки зрения
его эксплуатации. При насыщении материала водой снижается его прочность, увеличиваются средняя плотность, теплопроводность, наблюдаются
коррозионные процессы.
Для определения водопоглощения высушенные до постоянной массы образцы взвешивают, помещают в емкость, наполненную водой комнатной температуры, так чтобы уровень воды был выше верха образца не
менее чем на 20 мм. В таком положении образцы выдерживают в течение
48 часов. Затем их вынимают, обтирают влажной тканью и взвешивают.
При этом масса воды, вытекающей из образца на чашку весов, должна
включаться в массу образца.
Водопоглощение по массе Wм, %, по объему W0, % определяют по
формулам
9
Wм
Wo
m1
m
100 ,
(7)
m1 m
100 ,
V
(8)
m
где т – масса высушенного образца, г; т1 – масса насыщенного водой образца, г; V – объем образца, см3.
4. Определение пористости и пустотности
Пористость – один из важнейших показателей структуры любого
материала. Общая пористость материала состоит из объема замкнутых пор,
изолированных от внешней среды, и открытых (капиллярных), доступных
проникновению воды, газов. В зависимости от характера пор эксплутационные свойства материалов – морозостойкость, теплопроводность, звукопоглощение, водонепроницаемость, коррозионная стойкость различны. Так
при одинаковой общей пористости свойства материалов будут зависеть от
объема открытых пор.
Общая пористость Пп, % зависит от плотности вещества, из которого
состоит материал – ρ, его плотности в естественном состоянии – ρср, и рассчитывается по формуле
Пп
ср
1
100 ,
(9)
где ρср – средняя плотность, г/см3; ρ – истинная плотность, г/см3.
Открытую пористость По, % определяют по формуле
(10)
По Wo ,
где W0 – водопоглощение по объему, %.
Зная водопоглощение по массе Wм, водопоглощение по объему рассчитывают по формуле
W0 Wм ср ,
(11)
Пустотность – объем пустот между зернами, заполненный воздухом, выраженный в процентах от общего объема, занимаемого материалом. Это важный показатель для рыхлозернистых материалов. Например,
увеличение пустотности заполнителей для бетонов и растворов приводит к
перерасходу вяжущего.
Пустотность щебня и гравия Vп, % определяют по формуле
Vп
н
1
ср
1000
100 ,
(12)
где ρн – насыпная плотность материала, кг/м3; ρср – средняя плотность зерен материала, г/см3.
Полученные значения сравнивают с данными табл. 3.
10
Таблица 3
Общая пористость и пустотность строительных материалов
Показатель
Общая
пористость
Пустотность
бетон
тяжелый
стекло
сталь
5 – 15
0
0
Материал
гра- кирпич
нит
керамический
2
25 – 35
гравий
керамзитовый
72
щебень
плотный
песок
кварцевый
3–4
–
40 – 45
35 – 50
25 – 40
5. Определение теплопроводности
Теплопроводность зависит от многих факторов, но при равных условиях эксплуатации на теплопроводность влияет структура материала.
Косвенно теплопроводность можно оценить по формуле Некрасова,
определив коэффициент теплопроводности λ, Вт/м·К
2
1,16 0,0196 0,22 ср
0,16 ,
(13)
3
где ρср – средняя плотность материала в высушенном состоянии, г/см .
Используя данные табл. 1, построить зависимость средней плотности
от общей пористости материалов.
Используя данные табл. 2, 3, проверить полученную зависимость для
тяжелого бетона, стали, стекла.
На основании полученных результатов обосновать рациональную
область применения кирпича, природного каменного материала, керамзита, материала ячеистой структуры.
Оценить влияние структуры материалов на гидрофизические, теплофизические, механические свойства материалов.
Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы
1. Какие экспериментальные данные надо иметь, чтобы рассчитать
истинную плотность материала?
2. От чего зависит истинная плотность материала?
3. Какие экспериментальные данные надо иметь, чтобы рассчитать
среднюю плотность материала?
4. Как рассчитать среднюю плотность образца правильной и неправильной формы?
5. От чего зависит средняя плотность материала?
6. Истинная и средняя плотность материала. Что в этих показателях
общее и что разное?
7. Что такое насыпная плотность? Как определить этот показатель?
11
8. С какой целью определяют пустотность рыхлозернистых материалов?
9. Какое влияние оказывают открытая и замкнутая пористость на морозостойкость материала?
10. Какое влияние оказывает открытая и замкнутая пористость на
тепло- и звукопроводность материалов?
11. Какая существует зависимость между водопоглощением по объему
и общей пористостью материала? Всегда ли эта зависимость справедлива?
12. Можно ли ориентировочно определить область применения материала (изделия), если известно его водопоглощение?
13. Какие сравнительные выводы по структуре, механическим, тепло- и гидрофизическим свойствам можно сделать для нескольких материалов (изделий), если известна их средняя плотность, при условии идентичности вещественного состава.
12