Министерство образования и науки Российской Федерации ЮГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Инженерный факультет Кафедра «Строительные технологии и конструкции» Методические указания к лабораторным работам ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (плотность, пустотность, пористость, водопоглощение, влажность, прочность, размягчение, морозостойкость). по курсу «Материаловедение (строительные материалы)» для специальностей: «Промышленное и гражданское строительство» (290300) «Экономика и управление на предприятии строительства» (060800) Ханты-Мансийск 2004 СОДЕРЖАНИЕ стр. 1. Общие положения……………………………………………………… 4 1.2. Структура лабораторной работы……………………………………… 4 2. Общая классификация основных свойств……………………………. 5 3. Лабораторная работа №1 Определение истинной и средней плотности………………………... Теоретическая 6 3.1. 6 часть……………………………………………………. плотности 7 Определение средней плотности материалов…………………….….. 9 3.3.1. Образец материала правильной формы………………………………. 9 3.3.2. Образец неправильной формы…………………………………….…... 10 3.2. Определение истинной кирпича…………………………………… 3.3. 4. Лабораторная работа №2………………………………………………. 12 4.1. Определение насыпной плотности материалов……………………… 12 4.2. Пустотность…………………………………………………………….. 13 4.2.1. Теоретическая 13 часть……………………………………………………. 4.2.2. Определение пустотности сыпучих материалов…………………….. 5. Лабораторная работа №3 Пористость и 14 15 водопоглощение строительных материалов………….. 5.1. Теоретическая 15 часть……………………………………………………. 6. Лабораторная работа №4 18 Определение влажности строительных материалов…………………. 6.1. Теоретическая часть……………………………………………………. 18 7. Лабораторная работа №5 20 Прочность строительных материалов………………………………… 7.1. Теоретическая 20 часть……………………………………………………. 7.2. ЧАСТЬ 1. Определение прочности при сжатии и коэффициента 23 конструктивного качества………………………………………….…. 7.3. ЧАСТЬ 2. Определение коэффициента размягчения…………….….. 7.3.1. Теоретическая 25 25 часть……………………………………………………. 7.4. ЧАСТЬ 3. Определение предела прочности при 26 изгибе……………... 8. Лабораторная работа № 6 27 Морозостойкость……………………………………………………….. 8.1. Определение марки по 28 морозостойкости……………………………... 8.1.1. Теоретическая 28 часть……………………………………………………. 9. Контрольные 31 вопросы………………………………………………….. 10. Список литературы…………………………………………………….. 33 Цель настоящей работы – приобретение студентами навыков работы с лабораторным оборудованием, освоение ими современных методов определения основных свойств строительных материалов и умение оценить правильность полученных результатов. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. К выполнению изучившие содержание лабораторной работы по работы допускаются соответствующим студенты, методическим указаниям и представившие конспект отчета по работе с необходимыми лабораторными журналами. Конспект отчета составляется в соответствии со структурой лабораторной работы. 1.1. Структура лабораторной работы 1.1.1. Наименование темы лабораторной работы. Оно должно выполняться четко и выделяться из основного текста. 1.1.2. Цель лабораторной работы – это наименование определяемого свойства; метод, используемый в работе; оценка правильности полученных результатов. 1.1.3. Теоретическая часть. Приводятся основные определения изучаемых в данной работе свойств строительных материалов, вывод расчетных формул, единицы размерности определяемых констант. 1.1.4. Материалы и оборудование, реактивы. 1.1.5. Методика выполнения работы. Излагается ход работы в достаточно краткой форме с указанием последовательности выполнения операций. 1.1.6. Лабораторный журнал. В него вносятся все опытные данные и полученные на их основании расчетные величины. Лабораторный журнал составляется таким образом, чтобы можно было осуществлять табличный метод расчета. 1.1.7. Расчетная часть. Расчетная часть присутствует в том случае, когда необходимо провести вспомогательные расчеты-пояснения, не вошедшие в лабораторный журнал. 1.1.8.Заключение. Делается вывод о правильности полученных результатов путем сравнения их со стандартными значениями определяемых в лабораторной работе констант, приведенных в специальной литературе или указанных в ГОСТе. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ: – физические свойства (плотность, пористость, водопоглащение, влажность, теплопроводность, морозостойкость и др.); – механические свойства (прочность, твердость, истираемость, сопротивление удару и др.); – деформативные свойства (пластичность, упругость, ползучесть и др.); – химические свойства (щелочеустойчивость, кислотостойкость, биостойкость и др.); – технологические свойства пластичность, спекаемость и др.). (свариваемость, гвоздимость, Ла б о р а т о р на я р а б о т а № 1 Определение истинной и средней плотности ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Плотность – это масса материала в единице объема. В зависимости от степени уплотнения частиц материала различают: Истинную плотность, когда в единице объема масса материала находится в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот) и= m , г/см3 , где Vа и – истинная плотность, г/см3; m – масса материала в абсолютно уплотненном состоянии, г; Vа=V–Vп Vа – объем материала в абсолютно плотном состоянии; V – объем материала в естественном состоянии; Vп – объем пор, заключенных в материале. Среднюю плотность, или просто плотность, когда масса материала в единице объема находится в естественном состоянии (с порами и пустотами) о= mо , г/см3 , где V о – средняя плотность, г/см3; mо – масса материала в естественном состоянии, г. Насыпную плотность, когда масса материала в единице объема находится в насыпном состоянии (в насыпной объем включены межзерновые пустоты); н= mн , г/см3 , где Vн н – насыпная плотность, г/см3; mн – насыпная масса материала, г; Vн – 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). Из вышеизложенного следует, что в единице объема для данного материала m mо mн и и о н Относительная плотность – это безразмерная величина, равная отношению средней плотности материала к плотности воды при 4С, равной – 1 г/см3 d= о , где в d – относительная плотность; о – средняя плотность, г/см3; в – плотность воды при 4С, 1 г/см3. Эта величина учитывается в некоторых эмпирических формулах. Цель работы: ознакомиться с сущностью понятий «плотность» истинная и средняя и методами их определения для образцов правильной и неправильной геометрической формы. Научится оценивать правильность полученных результатов. 1. Определение истинной плотности кирпича Материалы: навеска размолотого в порошок керамического кирпича массой около 70 г, дистиллированная вода. Приборы и приспособления: весы лабораторные технические, стандартный объемомер (колба Ле Шателье), стеклянная палочка, стеклянные (фарфоровые) стаканы вместимостью 100 и 500 см3; сухая салфетка. Ход работы 1. Пробу тонкоразмолотого кирпича (размер частиц должен быть менее размера пор в кирпиче) массой около 70 г поместить в стаканчик и взвесить на технических весах с погрешностью не более 0,05 г. 2. В объемомер (рис. 1.1) налить воду до нижней риски, нанесенной до расширения на горле колбы. Горло объемомера подсушить фильтровальной бумагой (или тряпочкой). Затем порошок кирпича из взвешенного стакана осторожно с помощью стеклянной палочки пересыпать в объемомер до тех пор, пока уровень воды не поднимется до верхней метки (потери порошка недопустимы). Объем засыпанного порошка Vп равен объему между верхней и нижней метками объемомера (20 или 10 см3) и указан на объемомере. 3. Массу порошка кирпича (г), засыпанного в объемомер, определить, взвешиванием остатка порошка в стакане m2 и вычислить ее как разность масс (m1–m2) Истинную плотность (г/см3) рассчитать по формуле ρ=(m1–m2)/Vп Рис 1.1. Объемомер Ле Шателье 1 – объемомер; 2 – сосуд с водой; 3 – термометр. Все результаты занести в лабораторный журнал. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ № масса пробы объем порошка масса масса порошка Истинная плотность опыта порошка Vа, см3 остатка в объемомере m = и m1 , г порошка m=m1-m2, г Vа m2 , г г/см3 кг/м3 ВЫВОД. 2. Определение средней плотности материалов 2.1. Образец материала правильной формы Материалы: бетонный (или растворный) образец-куб; куб из дерева с 1 ребром 4...5 см; образец пенопласта в форме параллелепипеда массой 10...30 г. Приборы и приспособления: весы лабораторные технические, линейки измерительные, штангенциркуль. Ход работы 1. Образцы-кубы бетона (раствора), дерева и пенопласта измерить линейкой с погрешностью 1 мм или штангенциркулем с погрешностью 0,1 мм. Каждую грань образца кубической или близкой к ней формы измеряют в трех местах (а1, а2, а3, b1, b2, b3, h1, h2, h3) по ширине и высоте, как показано на рис. 1.2.а, и за окончательный результат принимают среднее арифметическое трех измерений каждой грани. На каждой из параллельных плоскостей образца цилиндрической формы проводят два взаимно перпендикулярных диаметра (d1, d2, d3, d4), затем измеряют их; кроме этого, измеряют диаметры средней части цилиндра (ds, db) в середине его высоты (рис. 1.2., б). За окончательный результат принимают среднее арифметическое шести измерений диаметра. Высоту цилиндра определяют в четырех местах (h1, h2, h3, h4) и за окончательный результат принимают среднее арифметическое четырех измерений. 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. 2. Определить массу m бетона, раствора, дерева и пенопласта. Образцы массой менее 500 г взвешивают с точностью до 0,01 г, а массой 500 г и более с точностью до 1 г. Полученные данные занести в лабораторный журнал. Рис. 1.2. Схема измерения объема образца а – кубической формы; б – цилиндрической формы ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ № материал масса размеры образца, см объем Истинная опыта образца образца ширина длина высота mо, г b l h диаметр D образца V, см3 плотность m о= о V 3 г/см кг/м3 ВЫВОД. 2.2. Образец неправильной формы Материалы: кусок кирпича неправильной формы массой 50...70 г; расплавленный парафин, плотностью п=0,93 г/см3. Приборы и приспособления: весы лабораторные технические с приспособлением для гидростатического взвешивания, кисточка. Ход работы 1. взвесить образец – m, г; 2. с помощью кисточки покрыть образец парафином для сохранения в его объеме открытых пор; 3. взвесить покрытый парафином образец, предварительно охладив его до комнатной температуры – m1, г; 4. провести гидростатическое взвешивание покрытого образца m2, г (рис. 1.3.). Взвешивание провести с точностью до 0,01 г. Опыт повторить трижды. Все результаты занести в лабораторный журнал. парафином Рис. 1.3. Взвешивание образца на гидростатических весах ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ № опыта масса образца, г mо m1 m2 объем объем парафина образца m m2 m mо Vп , Vп= 1 , Vп= 1 в п см3 см3 плотность образца m о= о V г/см3 кг/м3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ Конечный результат подсчитать как среднее арифметическое трех опытов. Определение объема образца методом гидростатического взвешивания производится на основании закона Архимеда: «На погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме этого тела». Значит масса образца, взвешенного в воде, будет легче массы образца, взвешенного на воздухе, на выталкивающую силу А=(m1–m2)g, Н где А – сила Архимеда; g – ускорение свободного падения, м/сек2. Vо.п.*в= m1–m2 Vо.п.= m1 m2 V= Vо.п.– Vп= в , но Vо.п.=V+Vп m1 m2 в Vп ВЫВОД. Лабораторная работа №2 1. Определение насыпной плотности материалов Материалы: кварцевый песок. Приборы и приспособления: весы лабораторные технические, стандартная воронка, линейка, мерный цилиндр емкостью 1 л. Ход работы 1. взвесить мерный цилиндр – m1 г; 2. в стандартную воронку, установленную на поддон, засыпать песок при закрытом затворе (рис. 1.4.); 3. одним приемом, открыв затвор, заполнить песком мерный цилиндр до образования конуса над его краями; 4. удалить избыток песка, проводя линейкой по верхней части образующей цилиндра; 5. взвесить мерный цилиндр, заполненный песком – m2 г. Взвешивание произвести с точностью до 1 г. Опыт повторить трижды. Рис. 1.4. Стандартная воронка 1 – корпус; 2 – трубка; 3 – задвижка; 4 – мерный цилиндр ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ № материал опыта мерный цилиндр объем, см3 V=Vн масса m1 , г масса цилиндра с песком, m2 , г масса песка, г m=m2-m1 насыпная плотность m н= г/см 3 Vн кг/м3 За окончательный результат принять среднее значение 3-х опытов. ВЫВОД. 2. Пустотность ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Пустотность – это доля межзерновых пустот в насыпном объеме материала. Расчетная формула: Пу Vпуст Vн m Vн V o V 1 1 1 н , где m Vн Vн о н Пу – пустотность, доли или %; Vпуст – объем пустот в насыпном объеме материала, см3; V – объем материала, см3. Пустотность выражается и в %: П у 1 н 100% о Пустотность – важнейшая характеристика правильности подбора зернового состава заполнителей для бетона, от которых зависит расход вяжущего (цемента, битума и др.). На практике пустотность лежит в пределах 26,5…47,6%. 2.1. Определение пустотности сыпучих материалов Цель работы: определить пустотность песка и щебня. Установить зависимость пустотности от величины зерен сыпучего материала. Оценить правильность полученных результатов. Материалы: кварцевый песок, фракция (0,63 – 0,315) – 2 л; щебень гранитный, фракция (10-5) – 10 л. Приборы и приспособления: мерные цилиндры емкостью 1 л и 5 л; стандартная воронка; линейка; торговые весы; поддон. Ход работы 1. определить насыпную плотность песка в соответствии с предыдущей частью работы; 2. взвесить пустой цилиндр, емкостью 5 л – m1, г; 3. засыпать щебень в цилиндр совком с высоты 10 см до образования конуса над краями, поставив его предварительно на поддон; 4. излишек щебня срезать линейкой вровень с краями; 5. взвесить цилиндр, заполненный щебнем – m2, г. Взвешивать с точностью до 1 г. Среднюю плотность кварцевого песка и гранитного щебня взять из табл.1 приложения. Определение повторить трижды. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ № опы та матер иал масса цилиндра, г пустого m1 1 2 3 1 2 3 с материалом m2 объем цилиндра, см3 V=Vн песок кварц 1000 щебень 5000 масса материала, г m=m2-m1 насыпная плотность, г/см3 m н Vн средняя плотность (табл. знач.), г/см3 о пустотность П у 1 н 100% о За окончательный результат принять среднее значение пустотности их трех определений. ВЫВОД. Лабораторная работа №3 Пористость и водопоглащение строительных материалов ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Пористость и водопоглащение материалов тесно связаны друг с другом. С увеличением пористости увеличивается и водопоглощение. Поэтому эти свойства удобно рассматривать параллельно. Пористость – это доля заполнения материала порами. Общая пористость (или просто пористость): m V Va Va и По 1 1 1 о , m V V V и Vпор о где Vпор – объем пор в материале. Пористость выражается и в процентах: П о 1 о 100% и От величины пористости и ее характера зависят важнейшие характеристики материала: плотность, прочность, теплопроводность, долговечность и др. Пористость в материале характеризуется как открытыми, так и закрытыми порами. Открытые поры увеличивают водопоглащение и водопроницаемость материала и ухудшают его морозостойкость. Увеличение закрытой пористости за счет открытой увеличивает долговечность материала, снижает его теплопроводность. Водопоглощение – свойство материала поглощать и удерживать воду. Количественные характеристики этого свойства: Массовое водопоглощение – это отношение массы поглощенной материалом воды при определенных ГОСТом условиях к массе сухого материала в %: m mн m 100% m Объемное водопоглощение – это отношение массы поглощенной материалом воды при определенных ГОСТом условиях к объему материала в сухом состоянии в %: V mн m 100% , где V в m – массовое водопоглощение; V – объемное водопоглощение; mн – масса материала насыщенного водой при стандартных условиях, г; m – масса воздушно-сухого материала, г; V – объем воздушно-сухого материала, см3. Соотношение между массовым и объемным водопоглощением: mн m m V m k m V в mн m V в V=km Объемное водопоглощение численно равно открытой пористости: V П откр Определив водопоглощение по объему и пористость материала, можно легко вычислить закрытую пористость: Пзакр=(П–Поткр)% Коэффициент насыщения пор водой – отношение водопоглощения по объему к пористости: Кн V По Он изменяется от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты). Чем больше Кн, тем выше доля открытых пор относительно замкнутых. Цель работы: определение пористости, водопоглощения и коэффициента насыщения пор водой на примере керамического кирпича. Оценка правильности полученных результатов. Материалы: керамические кирпичи. Приборы и приспособления: весы лабораторные технические, штангенциркуль, линейка, ванна с водой. Ход работы 1. высушить кирпичи (3 шт) до постоянной массы при температуре 105110С (разность результатов 2-х последовательных взвешиваний не более 0,2%). Взвешивание произвести после полного остывания кирпичей – m, г; 2. измерить геометрические размеры кирпичей с точностью до 0,1 мм; 3. произвести насыщение кирпичей водой при температуре воды 15-20С, в течение 48 часов, при уровне воды на 2-10 см выше верха края кирпичей; 4. обтерев кирпичи влажной тканью, немедленно взвесить их – mн, г. Взвешивать с точностью до 1 г. Значение истинной плотности керамического кирпича взять из работы №1. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЖУРНАЛЫ ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ № образца масса кирпича, г геометрические размеры кирпича, см сухого насыщенm ного длина ширина высота водой l b h mн объем кирпича, см3 V=lbh водопоглощение массовое m m m н 100 % m объемное V mн m 100 % V в ПОРИСТОСТЬ № опыта плотность кирпича истинная средняя и, о, г/см3 г/см3 пористость общая П о 1 о 100% открытая П откр V ,% закрытая Пзак=По-Поткр, % коэф. насыщения пор водой Кн За конечный результат принять среднее значение из 3-х определений. V По ВЫВОД. Лабораторная работа №4 Определение влажности строительных материалов ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Влажность – есть отношение массы воды, содержащейся в данный момент в материале, к его массе в сухом состоянии, в %. Расчетная формула: W mвл m 100% , где7 m mвл – масса влажного материала, г; m – масса сухого материала, г. Цель работы: определение влажности песка. Оценка правильности полученного результата. Материалы: кварцевый песок. Приборы и приспособления: бюксы, сушильный шкаф, эксикатор, технические весы. Ход работы 1. взвесить бюкс – m1, г; 2. взвесить бюкс с влажным песком – m2, г; 3. поместить бюкс с песком в сушильный шкаф, время сушки зависит от массы навески материала; 4. охладить бюкс с песком в эксикаторе и взвесить – m3, г; 5. сушку производить до постоянного веса. За конечный результат принять среднее арифметическое из 3-х параллельных определений, при условии, что относительное отклонение отдельного результата от среднего значения не превышает 5%. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ № опыта масса бюкса, г пустого m1 с влажным песком m2 масса бюкса с сухими песком, г ' m3 m3'' m 3''' 1 2 3 среднее значение влажности влажность W m2 m1 m3 m1 m3 m1 Wср 100% 1 3 Wi 3 1 Подсчет отклонения отдельного результата от среднего значения. Расчетная часть: № п/п влажность Wi,% Отклонения отдельного результата Wср,% абсолютное W=Wср-Wi, % 1 2 3 ВЫВОД. относительное Wср Wi W 100% Wср КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите свойства материалов, характеризующие особенности физического состояния строительных материалов. 2. Сравните массовое и объемное водопоглощение для испытуемых материалов. Какая величина – m или V больше для сравниваемых материалов? Ответ мотивируйте. 3. Как связана прочность материала с водопоглощением, с пористостью? 4. Если в материале снизить водопоглощение, то как это скажется на средней плотности материала, на истинной плотности, на коэффициенте теплопроводности? 5. Как измениться коэффициент теплопроводности, если морозостойкость материала увеличилась? 6. Назовите величину средней и истинной плотности для бетона, для керамического кирпича, для древесины и для любого полимерного материала. 7. От чего могут разрушаться материалы наружных конструкций зданий и сооружений в зимний период? 8. От каких параметров зависит морозостойкость конструкционных материалов? 9. Как связана величина теплопроводности с пористостью в строительных материалах? 10. В бетоне путем определенных операций уменьшена средняя плотность. Как это скажется на прочности материала и его долговечности? 11. Приведите примеры материалов, характеризующихся высокой огнестойкостью, огнеупорностью. 12. Какова размерность коэффициента теплопроводности, морозостойкости? 13. Перечислите показатели, определяющие механические свойства материалов. 14. Какие виды прочности характеризуют бетон, древесину? В каких единицах измеряется прочность? 15. Приведите примеры материалов, у которых высокие деформативные свойства. Какими параметрами оцениваются деформативные свойства материалов? 16. Что такое истираемость? Приведите примеры материалов с высокой и низкой истираемостью. ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица 1. Истинная и средняя плотности некоторых строительных материалов Материал Истинная плотность, кг/м3 Средняя плотность, кг/м3 Гранит Известняки: тяжелый ракушечники Туф вулканический Кирпич керамический: обыкновенный пустотелый пористый Древесина сосны Песок Пенопласты Стекло Сталь строительная Глина Цемент Бетон: особотяжелый тяжелый облегченный легкий особолегкий Гипс и гипсовые изделия Кирпич: силикатный шлаковый трепельный Минеральная вата Пенобетон и газобетон Пеносиликат Пеностекло Растворы: известковые известково-цементные цементные Туфы Шлакобетон Шлак: гранулированный топливный Фибролит: магнезиальный цементный 2800 - 2900 2600 - 2700 2600 2700 2400 - 2600 2600 - 2800 2600 - 2800 2600 - 2800 2600 - 2800 1550-1600 2600 - 2700 1300-1400 2400 - 2600 7800 - 7850 2500-2700 3100 1600-2100 1100-1600 2100-2400 900 - 2100 1600-1900 1300-1450 700-1400 500 - 600 1400 - 1600 20-50 2400 - 2600 7800 - 7850 1600-1800 1100-1350 2800 2600 2600 2600 2600 2600 2200-2600 1800-2200 500-1800 500 2700 700-1300 2600 2600 2700 2800 2800 2800 2600 1800-2000 1200-1500 500-700 100-150 400-1000 400-1000 300-500 2800 2800 2700 2800 2600 1500-1600 1600-1700 1700-1800 600-1400 1400-1800 3300 2700 500-900 800-1200 - 250-550 300-600 Таблица 2. Пористость и водопоглощение керамического кирпича Вид керамического кирпича Обыкновенный Условно эффективный Эффективный Средняя плотность, кг/м3 1600 – 1900 1400 – 1600 600 - 1400 Пористость, % 26 – 38 38 – 46 46 - 76 Водопоглощение, %