Основные свойства строительных материалов
Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Тюменская государственная архитектурно-строительная академия
Кафедра «Строительные материалы»
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсу «Материаловедение», «Дорожно-строительные материалы»
для всех специальностей
Тюмень 2004
Содержание
Общие положения
Структура лабораторной работы
Лабораторная работа №1. Определение средней плотности материала на образцах правильной геометрической формы
Лабораторная работа №2. Определение средней плотности материала на образцах неправильной геометрической формы
Лабораторная работа №3. Определение истинной плотности материала
Лабораторная работа №4. Определение насыпной плотности песка и щебня
Лабораторная работа №5. Определение пустотности сыпучих материалов
Лабораторная работа №6. Определение водопоглощения материалов
Лабораторная работа №7. Определение пористости материалов
Лабораторная работа №8. Определение влажности материалов
Лабораторная работа №9. Определение прочности при сжатии и коэффициента конструктивного качества материалов
Лабораторная работа №10. Определение коэффициента размягчения
Лабораторная работа №11. Определение предела прочности при изгибе
Лабораторная работа №12. Определение морозостойкости строительных материалов
Приложение 1
Литература
1. Общие положения
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, изучившие содержание работы по соответствующим методическим указаниям и представившие конспект отчета по работе с необходимыми лабораторными журналами. Конспект отчета составляется в соответствии со структурой лабораторной работы.
Структура лабораторной работы.
I. Наименование темы лабораторной работы.
II. Цель лабораторной работы.
III. Теоретическая часть.
IV. Материалы и оборудование, реактивы.
V. Методика выполнения работы.
VI. Лабораторный журнал.
VII. Расчетная часть.
VIII. Заключение.
Лабораторная работа №1 Определение средней плотности материала на образцах правильной геометрической формы
Цель работы: определение средней плотности материалов различного происхождения и структуры.
I. Теоретическая часть.
Плотность – это масса единицы объема материала.
Средняя плотность – это масса единицы объема в естественном состоянии (с порами и пустотами):
, [г/см3; кг/м3]
где - масса материала в естественном состоянии, г (кг);
- средняя плотность, г/см3 (кг/м3).
Относительная плотность – безразмерная величина, равная отношению средней плотности материала к плотности воды при 4 0С, равной 1 г/см3 (1000 кг/м3):
,
где - относительная плотность;
- средняя плотность, г/см3 (кг/м3);
- плотность воды при 4 0С, 1 г/см3 (1000 кг/м3).
Относительная плотность учитывается в некоторых эмпирических формулах.
II. Материалы и оборудование:
- образцы материалов (перечислить);
- весы технические с разновесами; весы торговые;
- штангенциркуль;
- линейка;
- сушильный шкаф.
III. Методика выполнения работы:
- высушить образец до постоянной массы;
- взвесить образец - , г, (с точностью до 0,1 г при массе до 500 г, до 1 г при массе более 500 г);
- измерить образец по основным размерам (не менее чем в 3-х точках каждого сечения) с точностью до 0,01 см;
- рассчитать объем образца, см3;
- вычислить плотность образца, г/см3 и кг/м3;
- записать результаты в лабораторный журнал.
IV. Лабораторный журнал:
№ п/п |
Материал, форма образца |
Масса, г |
Размеры образца, см |
Объем образца, см3 |
Плотность
|
|||||
материал | форма | ширина | длина | высота | диаметр | |||||
m |
b |
l |
h |
d |
V |
г/см3 |
кг/м3 |
|||
V. Расчетная часть:
Объем куба: , см3.
Объем призмы: , см3.
Объем цилиндра: , см3.
Средняя плотность: , г/см3.
VI. Заключение:
Полученный результат (не) лежит в пределах реальных значений
Лабораторная работа №2 Определение средней плотности материала на образцах неправильной геометрической формы
Среднюю плотность материала можно определить с помощью объемомера или методом гидростатического взвешивания.
Цель работы: определение средней плотности материала методом гидростатического взвешивания.
Теоретическая часть.
Объем образца неправильной геометрической формы определяют методом гидростатического взвешивания, который основан на действии закона Архимеда. В соответствии с этим законом на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме, занимаемом телом. Поэтому, объем образца определяют по объему вытесненной им жидкости.
I вариант. Для образцов, обладающих открытой пористостью.
I. Материалы и оборудование:
- образцы материала (наименование);
- весы технические с разновесами;
- приспособление для гидростатического взвешивания;
- песчаная баня;
- расплавленный парафин плотностью г/см3.
II. Методика выполнения работы:
- взвесить образец - , г;
- с помощью кисточки покрыть образец парафином для сохранения в его объеме открытых пор;
- взвесить покрытый парафином образец, предварительно охладив его до комнатной температуры - , г;
- провести гидростатическое взвешивание покрытого парафином образца - , г (рис. 1).
Рис.1. Весы для гидростатического взвешивания.
1- П-образная подставка; 2- образец материала; 3 – стакан с водой.
Взвешивание провести с точностью до 0,01 г.
- рассчитать по формуле среднюю плотность образца.
Опыт повторить трижды.
III. Лабораторный журнал:
№ п/п |
Масса образца, г |
Объем парафина , см3 |
Объем образца , см3 |
Средняя плотность
|
|||
|
|
|
г/см3 |
кг/м3 |
|||
1 | |||||||
2 | |||||||
3 |
IV.Расчетная часть:
Конечный результат подсчитать как среднее арифметическое из трех определений.
II вариант. Для образцов плотной структуры.
I. Материалы и оборудование:
- образцы материала (наименование);
- весы технические с разновесами;
- приспособление для гидростатического взвешивания;
- песчаная баня;
- сосуд с водой.
II. Методика выполнения работы:
- взвесить образец - , г;
- поместить образец в сосуд с водой, выдержать в течение 2 ч до полного насыщения открытых пор и микротрещин водой. Уровень воды в сосуде должен быть на 20 мм выше поверхности материала;
- извлечь образец из воды, протереть мягкой влажной тканью;
- взвесить насыщенный водой образец на воздухе - , г;
- провести гидростатическое взвешивание образца - , г.
Взвешивание провести с точностью до 0,01 г.
- рассчитать среднюю плотность.
Опыт повторить трижды.
III. Лабораторный журнал:
№ п/п |
Масса образца, г |
Средняя плотность
|
|||
|
|
|
г/см3 |
кг/м3 |
|
1 | |||||
2 | |||||
3 |
IV. Расчетная часть:
Конечный результат подсчитать как среднее арифметическое из трех определений.
Лабораторная работа №3 Определение истинной плотности материала
Цель работы: определение истинной плотности керамического кирпича пикнометрическим методом. Оценка правильности полученного результата.
I . Теоретическая часть.
Истинная плотность – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот).
,
где - истинная плотность, г/см3;
- масса материала в абсолютно плотном состоянии, г.
- объем материала в абсолютно плотном состоянии, см3;
- объем материала в естественном состоянии, см3;
- объем пор, заключенных в материале, см3.
II. Материалы и оборудование:
- тонкомолотый порошок керамического кирпича, высушенный до постоянной массы (30-40 г);
- дистиллированная вода;
- пикнометр – калиброванная мерная колба (рис.2);
Рис.2
- весы технические с разновесами;
- пипетка;
- песчаная баня;
- стеклянная воронка;
- фильтровальная бумага;
- сухая салфетка.
III. Методика выполнения работы:
- взвесить пустой пикнометр - , г;
- взвесить пикнометр с материалом (15-20 г) - , г;
- долить в пикнометр воды на ј широкой части колбы и прокипятить содержимое 7-10 мин для удаления вовлеченного воздуха на песчаной бане, поворачивая пикнометр вокруг оси в наклонном положении при легком постукивании о колбу пальцем;
- охладив пикнометр, долить в него дистиллированную воду до метки;
- взвесить пикнометр с водой и материалом - , г;
- освободить пикнометр от содержимого и тщательно промыть водой;
- залить пикнометр дистиллированной водой до метки и взвесить - ,
Перед взвешиванием пикнометр снаружи досуха протереть салфеткой.
- рассчитать истинную плотность.
Взвешивание производить с точностью до 0,01 г. Опыт повторить трижды.
Примечание: работа должна выполняться с особой тщательностью, так как ошибка во взвешивании даже в 0,01 г влечет за собой получение неверного результата.
IV. Лабораторный журнал:
№ опыта | Масса пикнометра, г | Масса материала |
Объем материала, см3 |
Плотность
|
||||
пустого | с матлом | с мат.и водой | с водой |
г/см3 |
кг/м3 |
|||
|
|
|
|
-m1 |
|
|||
1 | ||||||||
2 | ||||||||
3 |
Истинную плотность вычисляют как среднее арифметическое 3-х определений.
V. Заключение: Полученный результат (не) лежит в пределах реальных значений.
Лабораторная работа № 4 Определение насыпной плотности песка и щебня
Цель работы: определение насыпной плотности кварцевого песка и щебня в свободно насыпанном состоянии. Оценка правильности полученных результатов.
Теоретическая часть.
Насыпная плотность – масса единицы объема материала в свободно насыпанном состоянии (в насыпной объем включены межзерновые пустоты):
,
где - масса материала в насыпном состоянии, г;
- насыпная плотность, г/см3;
- насыпной объем, см3.
Насыпную плотность определяют как в рыхлонасыпном состоянии, так и в уплотненном. В первом случае материал засыпается в сосуд с определенной высоты, во втором – уплотняется на виброплощадке (30-60 сек).
II. Материалы и оборудование:
- высушенные кварцевый песок, щебень;
- торговые весы;
- прибор «Стандартная воронка»;
- линейка;
- мерный сосуд объемом 1 и 5 л.
III. Методика выполнения работы (для определения насыпной плотности песка):
- взвесить мерный сосуд - , г;
- в «Стандартную воронку», установленную на поддон, засыпать песок при закрытом затворе;
- одним приемом, открыв затвор, заполнить песком мерный сосуд до образования конуса над его краями;
- удалить избыток песка, проводя линейкой по верхней части образующей сосуда;
- взвесить мерный сосуд, заполненный песком, - , г;
- рассчитать насыпную плотность песка.
Взвешивание произвести с точностью до 1 г. Опыт повторить трижды.
IV. Лабораторный журнал.
№ п/п |
Мерный сосуд |
Масса сосуда с песком, г
|
Масса песка, г
|
Насыпная плотность
|
||
Объем, см3
|
Масса, г
|
г/см3 |
кг/м3 |
|||
1 | ||||||
2 | ||||||
3 |
За окончательный результат принять среднее значение 3-х определений.
V. Методика выполнения работы (для определения насыпной плотности щебня):
- взвесить пустой сосуд объемом 5 л - , г;
- засыпать щебень в сосуд совком с высоты 10 см до образования конуса над краями, предварительно поставив его на поддон;
- излишек щебня срезать линейкой вровень с краями;
- взвесить сосуд, заполненный щебнем - m2, г;
- рассчитать насыпную плотность щебня.
VI. Лабораторный журнал.
№ п/п |
Мерный сосуд |
Масса сосуда с щебнем, г |
Масса щебня, г
|
Насыпная плотность
|
||
Объем, см3
|
Масса, г
|
г/см3 |
кг/м3 |
|||
1 | ||||||
2 | ||||||
3 |
VII. Заключение:
Полученный результат (не) лежит в пределах реальных значений ( ).
Лабораторная работа №5. Определение пустотности сыпучих материалов
Цель работы: определить пустотность песка и щебня. Установить зависимость пустотности от величины зерен сыпучего материала. Оценить правильность полученных результатов.
I. Теоретическая часть.
Пустотность – это доля межзерновых пустот в насыпном объеме материала.
Расчетная формула:
,
где - пустотность, доли или %;
Vпуст – объем пустот в насыпном объеме материала, см3;
V – объем материала, см3.
Пустотность можно выразить и в %:
Пустотность – важнейшая характеристика правильности подбора зернового состава заполнителей для бетонов, от которого зависит расход вяжущего (цемента, битума и др.). На практике пустотность лежит в пределах 26,5 – 47,6%.
Лабораторный журнал:
Материал |
Насыпная плотность, г/см3 |
Средняя плотность, г/см3 |
Пустотность, % |
|
|
|
|
Песок | |||
Щебень |
За окончательный результат принять среднее значение пустотности из трех определений.
III. Заключение:
С увеличением размера зерен (от 0,63 до 10 мм) пустотность (увеличивается, уменьшается) с ( )по ( ).
Полученные результаты пустотности (не)входят в стандартные значения.
Лабораторная работа №6. Определение водопоглощения материалов
Цель работы: определение водопоглощения керамического кирпича. Оценка правильности полученных результатов.
I.Теоретическая часть.
Водопоглощение – свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Водопоглощение может быть массовым и объемным:
Массовое водопоглощение – это отношение массы поглощенной материалом воды при стандартных условиях к массе сухого материала в %:
Объемное водопоглощение – это отношение объема поглощенной материалом воды при стандартных условиях к объему материала в сухом состоянии в %:
,
где Bm – массовое водопоглощение, %;
Bv – объемное водопоглощение, %;
mн - масса материала, насыщенного водой при стандартных условиях, г;
m – масса воздушно-сухого материала, г;
V – объем воздушно-сухого материала, см3;
- объем поглощенной воды.
Соотношение между массовым и объемным водопоглощением:
; Bv=dBm
II. Материалы и оборудование:
- керамические кирпичи;
- торговые весы с разновесами;
- штангенциркуль и линейка;
- ванна с водой.
III. Методика выполнения работы:
- высушить кирпичи (3 шт) до постоянной массы при температуре 105-110 0С (разность результатов 2-х последовательных взвешиваний не более 0,2%). Взвешивание произвести после полного остывания кирпичей – m, г;
- измерить геометрические размеры кирпичей с точностью до 0,1 см;
- произвести насыщение кирпичей водой при температуре воды 15-20 0С в течение 48 часов при уровне воды на 2-10 см выше верха кирпичей;
- обтерев кирпичи влажной тканью, немедленно взвесить их – mн, г.
Взвешивать с точностью до 1 г.
IV. Лабораторный журнал:
№ п/п |
Масса кирпича, г | Геометрические размеры, см |
Объем кирпича, см3 V=lbh |
Водопоглощение | ||||
Сухого m |
насыщ водой mн |
длина l, см |
ширина b, см |
высота h, см |
массовое Bm |
объемное Bv |
||
1 | ||||||||
2 | ||||||||
3 |
V. Заключение:
Показатели | Водопоглощение, % | |
массовое | объемное | |
Опыт | ||
Стандартные значения |
Полученные результаты водопоглощения по массе ( ) и объему ( ) керамического кирпича лежат в пределах стандартных значений (требования ГОСТ приведены в приложении 1).
Лабораторная работа №7. Определение пористости материалов
Цель работы: определение пористости керамического кирпича. Оценка правильности полученных результатов.
I. Теоретическая часть.
Пористость – это доля заполнения объема материала порами. Общая пористость (или просто пористость) (По):
,
где Vпор – объем пор в материале, см3 (м3);
V – объем материала в естественном состоянии, см3 (м3);
Vа – объем материала в абсолютно плотном состоянии (без пор), см3 (м3);
- средняя плотность материала, г/см3 (кг/м3);
- истинная плотность материала, г/см3 (кг/м3).
Пористость можно выразить и в процентах:
От величины пористости и ее характера зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, теплопроводность, долговечность и др.
Пористость в материале характеризуется как открытыми, так и закрытыми порами.
Открытые поры увеличивают водопоглощение и водопроницаемость материала и ухудшают его морозостойкость.
Увеличение закрытой пористости за счет открытой увеличивает долговечность материала, снижает его теплопроводность.
Общая пористость складывается из открытой и закрытой. Открытая пористость численно равна объемному водопоглощению материала. Определив водопоглощение по объему и пористость материала, можно легко вычислить закрытую пористость:
, %
Коэффициент насыщения пор водой – отношение объемного водопоглощения к пористости:
Этот коэффициент изменяется от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты).
Чем больше Кн, тем выше доля открытых пор.
Ход работы.
- величину средней () и истинной плотности взять из лабораторной работы №1 и №3;
- подсчитать значение общей пористости керамического кирпича (По);
- пользуясь данными, полученными в работе №6, определить открытую и закрытую пористость и коэффициент насыщения пор водой.
Данные занести в лабораторный журнал.
Лабораторный журнал:
№ п/п |
Плотность кирпича | Пористость, % |
Коэффициент насыщения пор водой
|
|||
истинная , г/см3 |
средняя |
г/см3 Общая |
Открытая |
Закрытая |
|
1 | ||||||
2 | ||||||
3 |
IV. Заключение: Полученные результаты пористости (не)входят в стандартные значения.
Лабораторная работа №8. Определение влажности материалов
Теоретическая часть.
Гигроскопичность это способность материала поглощать и конденсировать влагу из окружающего воздуха. Оценивается влажностью.
Влажность – это содержание влаги в материале в данный момент времени.
Расчетная формула:
или ,
где mвл – масса материала в естественном состоянии, г;
m – масса сухого материала, г.
II. Материалы и оборудование:
- кварцевый песок;
- бюксы;
- сушилка радиационная;
- эксикатор;
- технические весы с разновесами.
III. Методика выполнения работы:
- взвесить пустой бюкс – m1, г;
- взвесить бюкс с влажным песком – m2, г;
- поместить бюкс с песком в радиационную сушилку на 10 мин;
- охладить бюкс с песком в эксикаторе и взвесить – m3, г;
- сушку производить до постоянной массы;
- рассчитать влажность песка.
За конечный результат принять среднее арифметическое из 3-х параллельных определений при условии, что относительное отклонение отдельного результата от среднего значения не превышает 5%.
IV. Лабораторный журнал:
№ п/п |
Масса бюкса, г | Масса бюкса с сухим песком, г |
Влажность, %
|
|||
пустого | с влажным песком | |||||
m1 |
m2 |
|
|
|
||
1 | ||||||
2 | ||||||
3 |
V. Заключение: Влажность кварцевого песка равна - %.
Лабораторная работа №9. Определение прочности при сжатии и коэффициента конструктивного качества материалов
Цель работы: изучить принцип действия гидравлического пресса и приобрести навыки работы на нем. Произвести испытание на сжатие материалов и сделать вывод о их прочностной эффективности.
Теоретическая часть.
Прочность – свойство материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, которые возникают под действием внешних факторов (силовых, тепловых и т.д.), не разрушаясь.
Прочность материала оценивается пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, возникшему в материале под нагрузкой, вызвавшей разрушение материала.
На практике предел прочности определяют путем разрушения стандартных образцов при сжатии, изгибе или разрыве.
Предел прочности при сжатии:
,
где N – разрушающая нагрузка, Н (или кгс);
А – площадь поперечного сечения образца, м2 (или см2).
Существует следующая зависимость между единицами измерения:
,
Для оценки прочностной эффективности материала часто используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.), который определяют по формуле:
,
где R – предел прочности при сжатии, МПа;
d – относительная плотность.
Наиболее эффективными являются материалы, имеющие наименьшую плотность и наиболее высокую прочность.
II. Материалы и оборудование:
- образцы различных материалов;
-