Учебное пособие: Методические указания к лабораторным работам Составители

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный

архитектурно-строительный университет

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к лабораторным работам

Томск 2007

Методы определения основных свойств строительных материалов: методические указания к лабораторным работам / Сост. Ю.И. Довбня, Л.А. Аниканова, Е.П. Соловьева. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2007. – 23 с.

Рецензент к.т.н., доцент Т.В. Савченкова

Редактор Е.Ю. Глотова

Методические указания предназначены для студентов строительных специальностей дневной, заочной и дистанционной форм обучения, изучающих дисциплину «Материаловедение» («Строительные материалы»).

Печатаются по решению методического семинара кафедры строительных материалов и технологий, протокол № 4 от 31.10.2007 г.

Утверждены и введены в действие проректором по учебной работе В.В. Дзюбо

с 01.01.2007

до 01.03.2013

Подписано в печать

Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Печать офсет. Уч.-изд. л. 1,26. Тираж 400 экз. Заказ №

Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.

634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.

ОГЛАВЛЕНИЕ

В настоящих методических указаниях изложены стандартные методы определения основных свойств строительных материалов, применяемых в различных областях строительства.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Пробы, образцы или навески готовят лаборанты с соблюдением установленных норм, правил и требований соответствующих стандартов.

1.2. Пробы взвешивают с погрешностью 0,1 % массы, если в методичке не даны другие указания.

1.3. Пробы, образцы или навески высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре (105 ± 5) ^о С до тех пор, пока разница между результатами двух взвешиваний будет не более 0,1 % массы навески.

Каждое последующее взвешивание проводят после высушивания в течение не менее 1 ч и охлаждения не менее 45 мин.

1.4. Образцы измеряют штангенциркулем с погрешностью до 0,1 мм, если в методичке не даны другие указания.

Площадь каждого из оснований образца цилиндрической формы вычисляют по среднему арифметическому значению двух взаимно перпендикулярных диаметров.

Для определения площади нижней и верхней граней образца кубической формы вычисляют средние арифметические значения длины каждой пары параллельных ребер данной грани.

Площадь поперечного сечения образца вычисляют как среднее арифметическое значение площадей нижнего и верхнего оснований.

Высоту образца цилиндрической формы вычисляют как среднее арифметическое значение результатов измерений четырех образующих цилиндра, расположенных в четвертях его окружности.

Высоту образца кубической формы вычисляют как среднее арифметическое значение результатов измерений четырех вертикальных ребер.

Объем образца определяют как произведение площади поперечного сечения на высоту.

Измерение линейных размеров, вычисление площадей поперечного сечения и объемов образцов, имеющих форму параллелепипеда (например, кирпич), производится аналогично вышеизложенным способам для цилиндрических и кубических форм.

1.5. Результаты испытаний рассчитывают с точностью до второго знака после запятой, если не даны другие указания относительно точности вычисления.

1.6. В качестве результата испытания принимают среднее арифметическое значение параллельных определений, предусмотренных для соответствующего метода.

1.7. Испытание образцов на сжатие должно производиться на гидравлических прессах или испытательных машинах.

Предельная нагрузка пресса Р _макс должна быть такой, чтобы ожидаемое значение максимального усилия в процессе испытания укладывалось на шкале пресса от 0,3 до 0,8 Р _макс .

1.8. Температура помещения, в котором проводят испытания, должна быть (25±10) ^о С. Перед началом испытания образцы и вода должны иметь температуру, соответствующую температуре воздуха в помещении.

1.9. Воду для проведения испытаний применяют обычную водопроводную, если не даны указания по использованию дистиллированной воды или других жидкостей.

2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Основной целью работы являются изучение методов определения основных показателей свойств строительных материалов и ознакомление с приборами и оборудованием, применяемым в ходе выполнения опытов.

3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для изучения основных свойств строительных материалов каждой подгруппе студентов необходимо:

1. Определить среднюю и истинную плотности керамического кирпича и вычислить общую пористость его.

2. Насытить образцы керамического кирпича водой и вычислить водопоглощение их по массе и по объему.

3. Определить предел прочности при сжатии тяжелого бетона и вычислить удельную прочность его (коэффициент конструктивного качества).

4. Вычислить коэффициент снижения прочности гипса при насыщении его водой (коэффициент размягчения) по данным, предложенным преподавателем.

5. Вычислить коэффициент теплопроводности по формуле В.П. Некрасова для керамического кирпича и тяжелого бетона, используя ранее полученные данные по их средней плотности.

4. ТРЕБУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТУРА

(на одну подгруппу студентов)

5. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

5.1. Определение средней плотности образцов правильной геометрической формы .

5.1.1. Подготовка к испытанию.

Среднюю плотность определяют не менее, чем на трех образцах. Их очищают от пыли и высушивают до постоянной массы. В данной работе испытывают материалы по рекомендации преподавателя.

5.1.2. Проведение испытания.

Объем образцов определяют по их геометрическим размерам, измеренным с погрешностью не более 0,1 см. Для определения каждого линейного размера образец измеряют в трех местах – по ребрам и середине грани. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение из трех измерений.

5.1.3. Обработка результатов.

Среднюю плотность (ρ_m ) образца в кг/м³ вычисляют по формуле:

ρ_m = , (5.1)

где m – масса образца, высушенного до постоянной массы, кг;

V – объем образца, м³ .

За значение средней плотности изделий принимают среднее арифметическое результатов определений средней плотности всех образцов, рассчитанное с точностью до 10 кг/м³ .

Исходные данные и результаты определений средней плотности заносят в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Опытные данные по определению средней плотности

5.2. Определение средней плотности образцов

неправильной формы

способом гидростатического взвешивания

Способ гидростатического взвешивания основан на измерении объема образца по массе вытесненной им жидкости (чаще всего воды).

Для этого необходимо взвесить образец на воздухе и в жидкости известной плотности, объем V вычислить по формуле:

V = (5.2)

где m и m _ж – масса образца взвешенного, соответственно, на воздухе и в жидкости, кг;

ρ_ж – плотность жидкости, кг/м³ .

Средняя плотность образца неправильной формы вычисляется по формуле:

. (5.2.а)

Изложенный способ применяется в случае, когда испытанию подвергается материал со сплошной структурой (т. е. без пор и пустот).

Если же испытывается пористый материал, то при гидростатическом взвешивании поры и пустоты будут поглощать воду и искажать результат опыта. Чтобы исключить эту ошибку, образцы материала, имеющие пористую структуру, перед испытанием парафинируют. Для этого сухой образец неправильной геометрической формы взвешивают на технических весах, затем покрывают при помощи кисти тонким слоем расплавленного парафина. После того как парафин застынет, образец осматривают, обнаруженные при осмотре на парафиновой пленке пузырьки или трещины удаляют, заглаживая нагретой металлической проволокой или пластинкой.

После парафинирования образец перевязывают прочной тонкой нитью и вторично взвешивают. После этого его подвешивают к крючку на левом конце коромысла гидростатических весов. Массу образца уравновешивают гирями, устанавливая их на правую чашку. После этого образец погружают в стакан с водой так, чтобы он не касался стенок и дна (при этом равновесие весов нарушается). Весы снова уравновешивают, сняв с правой чашки часть гирь и определяют массу образца в воде.

Средняя плотность образца вычисляется по формуле

(5.2.б)

где m – масса сухого образца, кг;

m ₁ – масса образца, покрытого парафином, кг;

m ₂ – масса гирь, уравновешивающих образец, покрытый парафином, в воде, кг;

ρ_п – истинная плотность парафина, 930 кг/м³ .

Среднюю плотность материала вычисляют как среднее арифметическое определений средней плотности 3 образцов. Результаты испытаний заносят в табл. 5.2.1.

Таблица 5.2.2

Определение средней плотности гидростатическим

взвешиванием

Рис. 1. Пикнометр (а ) и весы для гидростатического взвешивания (б ): 1 – П-образная подставка; 2 – образец материала; 3 – стакан с водой

5.3. Определение истинной плотности

5.3.1. Подготовка к испытанию

Истинную плотность определяют на пробе материала изделий, полученной не менее чем от трех образцов.

Для подготовки пробы от каждого образца, снаружи и из середины, откалывают по два куска массой не менее 100 г каждый, которые измельчают до зерен размером около 5 мм. Квартованием отбирают навеску массой не менее 100 г и измельчают ее в фарфоровой или агатовой ступке. Затем квартованием отбирают навеску массой не менее 30 г и измельчают ее до полного прохождения через сито с сеткой № 0,063.

5.3.2. Проведение испытания

Определение проводят параллельно на двух навесках массой около 10 г каждая, отобранных от пробы.

Отобранную навеску высыпают в чистый, высушенный и предварительно взвешенный пикнометр (рис. 1, а ). Пикнометр взвешивают вместе с испытываемым порошком, затем наливают в него воду (или другую инертную жидкость) в таком количестве, чтобы он был заполнен приблизительно до половины объема.

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 положении на песчаной или водяной бане.

Следует также удалить воздух из жидкости, которой будет дополнен пикнометр.

После удаления воздуха пикнометр заполняют до метки. Пикнометр помещают в термостат с температурой 20,0±0,5 ^о С, в котором выдерживают не менее 15 мин.

После выдержки в термостате в пикнометре уровень жидкости доводят до метки по нижнему мениску.

После достижения постоянного уровня жидкости пикнометр взвешивают.

После взвешивания пикнометр освобождают от содержимого, промывают, заполняют той же жидкостью, удаляют из нее воздух, выдерживают в термостате, доводят жидкость до постоянного уровня и снова взвешивают.

5.3.3. Обработка результатов

Истинную плотность (ρ) материала навески в г/см³ вычисляют по формуле:

ρ = (5.3)

где ρ – истинная плотность керамического кирпича, кг/м³ ;

ρ_в – плотность воды, равная 1000 кг/м³ ;

m – масса порошка, кг;

m ₁ – масса пикнометра с порошком и водой, кг;

m ₂ – масса пикнометра только с водой, кг.

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.

Исходные данные и результаты определений истинной плотности заносят в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Опытные данные по определению истинной плотности

керамического кирпича

6. ВЫЧИСЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ

Пористость образцов материалов определяют расчетным путем на основании предварительно установленных значений «истинной» плотности и средней плотности.

Полный объем пор образца П_п в процентах вычисляют с погрешностью до 0,1 % по формуле

П_п = (6)

где ρ – «истинная» плотность образца, кг/м³ ;

ρ_m – средняя плотность образца, кг/м³ .

В данной работе определяют общую пористость керамического кирпича, используя результаты, полученные в п.п. 5.1. и 5.3.

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ

(при атмосферном давлении в воде температурой 20±5 ^о С)

В данной работе водопоглощение определяется на образцах керамических кирпичей согласно ГОСТ 7025.

7.1. Подготовка к испытанию

Водопоглощение определяют не менее чем на трех образцах.

Образцы керамических изделий предварительно высушивают до постоянной массы, измеряют длину, ширину и высоту и подсчитывают объем каждого из них.

7.2. Проведение испытания

Образцы укладывают в один ряд по высоте с зазорами между ними 2 см на решетку в сосуд с водой температурой 20±5 ^о С так, чтобы уровень воды был выше верха образцов на (2…10) см. Образцы выдерживают в воде 48…49 ч. Насыщенные водой образцы вынимают из воды, обтирают влажной тканью и взвешивают. Массу воды, вытекшей из образца на чашку весов во время взвешивания, включают в массу образца, насыщенного водой. Взвешивание каждого образца должно быть закончено не позднее 2 мин после его удаления из воды.

7.3. Обработка результатов

Водопоглощение образцов по массе (W_м ) и по объему (W _о ) в процентах вычисляют по формулам:

W _m = (7а)

W _о = (7б)

где М _в – масса воды, поглощенной образцом, г;

m _сух – масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

m _нас – масса образца насыщенного водой, г;

V _в – объем воды, поглощенной образцом, см³ ;

V _обр – объем образца, высушенного до постоянной массы, см³ :

ρ_в – плотность воды, равная 1 г/см³ .

За значение водопоглощения изделий принимают среднее арифметическое результатов определения водопоглощения всех образцов, рассчитанное с погрешностью до 1 %.

Исходные данные и результаты вычислений водопоглощения заносят в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Опытные данные по определению водопоглощения

керамического кирпича

8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ

ПРИ СЖАТИИ

Прочность материалов определяют путем сжатия и доведения до разрушения образцов (кубов или цилиндров) на прессе или испытательной машине.

В данной работе предел прочности при сжатии определяют на трех образцах-кубах из тяжелого бетона с размером ребра 10 см.

8.1. Подготовка к испытанию

Перед испытанием образцы подвергаются визуальному осмотру с целью установления наличия дефектов в виде околов ребер и углов, раковин, наплывов и инородных включений.

Образцы, имеющие трещины, околы, раковины выше предельно допустимых значений, а также следы расслоения и недоуплотнения бетонной смеси, испытанию не подлежат. Наплывы бетона на ребрах и опорных гранях образцов должны быть удалены напильником или абразивным камнем.

Опорные грани выбирают так, чтобы сжимающая сила при испытании была направлена параллельно слоям укладки бетонный смеси в формы, а затем отмечают их и измеряют линейные размеры рабочей площади с погрешностью не более 1 %.

Измеряются также отклонения: от плоскостности опорных поверхностей, которые не должны превышать 0,1 мм, отклонения от перпендикулярности опорных поверхностей и смежных граней (не должны превышать 1 мм); если же имеет место превышение указанных отклонений, то поверхности должны быть выровнены. Для этого применяется шлифование или нанесение слоя быстротвердеющего материала толщиной не более 3 мм и прочностью к моменту испытания не менее половины ожидаемой прочности бетона образца.

8.2. Проведение испытания

При испытании на сжатие образцы-кубы устанавливают одной из выбранных граней на нижнюю опорную плиту пресса (рис. 2) или испытательной машины по центру, используя риски, нанесенные на плиту пресса или специальное центрирующее устройство.

Рис. 2. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие: 1 – станина; 2 – поршень; 3 , 5 – нижняя и верхняя опорная плиты; 4 – испытуемый образец; 5 – маховик для ручного подъема верхней плиты; 7 – манометр; 8 – масляный насос

После установки образца на опорную плиту пресса совмещают верхнюю плиту пресса с верхней опорной гранью образца так, чтобы их плоскости полностью прилегали одна к другой. Далее начинают нагружение.

Нагружения образцов производят непрерывно со скоростью, обеспечивающей повышение расчетного напряжения в образце до его полного разрушения в пределах 0,6±0,4 МПа/с. При этом время нагружения одного образца должно быть не менее 30 с.

Максимальное усилие, достигнутое в процессе испытания, принимают за разрушающую нагрузку и записывают его в табл. 8.1.

Разрушенный образец необходимо подвергнуть визуальному осмотру и отметить следующие дефекты:

– характер разрушения;

– наличие крупных (объемом более 1 см³ ) раковин и каверн внутри образца;

– наличие зерен заполнителя размером более 1,5 d _max , а также комков глины и следов расслоения.

Если перечисленные дефекты структуры будут иметь место, то такие результаты испытаний учитывать не следует.

8.3. Обработка результатов

Прочность бетона при сжатии, кгс/см² , следует вычислять с точностью до 1 кгс/см² по формуле

R _сж = , (8)

где Р – разрушающая нагрузка, кгс;

F – площадь рабочего сечения образца, см² .

Величину предела прочности при сжатии, полученную в кгс/см² , переводят в МПа, исходя из соотношения 1 кгс/см² =0,1 МПа.

Прочность тяжелого бетона в серии из 3 образцов определяют как среднее арифметическое значение серии образцов; результаты заносят в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Опытные данные по определению предела прочности при сжатии тяжелого бетона

9. ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

КОНСТРУКТИВНОГО КАЧЕСТВА (удельной прочности)

Коэффициент конструктивного качества материала используют для оценки эффективности применения его в конструкциях и вычисляют по формуле

R _у = , (9)

где R – предел прочности материала, МПа;

d – относительная плотность материала (безразмерная величина) равная ρ_ср /ρ_в = ρ_ср /1000.

В данной работе удельная прочность может быть вычислена для тяжелого бетона и керамического кирпича по данным табл. 5.1. и табл. 8.1, а также по справочным данным из любых источников.

Результаты вычислений заносят в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Определение удельной прочности

10. ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

РАЗМЯГЧЕНИЯ

(коэффициента снижения прочности материала при

насыщении водой)

Коэффициент снижения прочности материала при насыщении водой определяют по отношению прочности образцов в насыщенном водой и сухом состояниях.

10.1. Подготовка к испытанию

Для испытания берут десять образцов правильной формы. Из них пять образцов насыщают водой, а пять образцов высушивают до постоянной массы.

10.2. Проведение испытания

Испытания насыщенных водой и высушенных до постоянной массы образцов проводятся по п. 1.3.

10.3. Обработка результатов

Коэффициент снижения прочности материала (К _р )^* при насыщении водой вычисляют по формуле

К _р = , (10)

где – среднее арифметическое значение предела прочности насыщенных водой образцов, МПа (кгс/см² );

– среднее арифметическое значение предела прочности образцов, высушенных до постоянной массы, МПа (кгс/см² ).

Коэффициент размягчения – безразмерная величина, характеризующая водостойкость материала. Материал, имеющий К _р = 0,8 и более, относят к водостойким материалам.

В данной работе К _р определяют на образцах-кубах затвердевшего строительного гипса. Результаты испытаний заносят в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Опытные данные по определению коэффициента снижения прочности материала при насыщении водой

__________________

* Коэффициент снижения прочности материала в технической и учебной литературе еще называют коэффициентом «размягчения», и поэтому ставится индекс «р».

11. ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

На практике для ориентировочной оценки теплопроводности материалов используют эмпирическую формулу В.П. Некрасова:

λ = 1,16 , (11)

где λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·^о С);

d – относительная плотность материала.

Точное значение λ материала определяют экспериментально [8].

В данной работе вычисляют коэффициент теплопроводности для тяжелого бетона и кирпича. Для других материалов коэффициент теплопроводности предлагается вычислить по справочным данным самостоятельно.

1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Последовательность определения средней плотности образцов правильной геометрической формы.

2. То же, образцов произвольной формы.

3. Чем отличается средняя плотность материала от истинной плотности?

4. При помощи какого прибора определяют истинную плотность?

5. Как определяется водопоглощение?

6. Последовательность определения предела прочности при сжатии.

7. В чем заключается сущность коэффициента конструктивного качества?

8. Что характеризует коэффициент размягчения?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для строит. спец. вузов / И.А. Рыбьев, – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 2004. – 701 с.; ил.

2. Микульский, В.Г. Строительные материалы (материаловедение и технология): учебное пособие / В.Г. Микульский. – М.: ИАСВ, 2002. – 536 с.

3. Горчаков, Г.Н. Строительные материалы: учеб. для вузов / Г.Н. Горчаков, Ю.М. Баженов. – М.: Стройиздат, 1986. – 688 с., ил.

4. Попов, Л.Н. Лабораторный контроль строительных материалов и изделий: справочник / Л.Н. Попов. – М.: Стройиздат, 1986. – 349 с.

5. ГОСТ 7025–91. Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости.

6. ГОСТ 8462–85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе.

7. ГОСТ 8269.0–97 (ст. СЭВ 5446-85). Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ.

8. ГОСТ 7076–99 (ст. СЭВ 4923-84). Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.