Определение сопротивления удару и износу, истираемости, твердости

 

Цель работы: Определение сопротивлению удару и износу, истираемости, твердости каменных материалов.

 

Теоретические положения

 

Сопротивление удару – способность материала сопротивляться разрушающему действию ударных нагрузок.

На сопротивление удару испытывают те каменные материалы, которые в процессе эксплуатации в конструкциях подвергаются динамическим нагрузкам, например в конструкции полов промышленных зданий, в дорожных покрытиях.

Сопротивлением износу называется способность материала противостоять совместному действию истирания и удара. Подобное воздействие испытывают дорожные покрытия.

Определение износа каменного материала производится в специальных вращающихся барабанах, загруженных шарами.

Истираемостью называют способность материала изменяться в объеме и весе под действием истирающих усилий.

Испытанию на истираемость подвергают каменные материалы, применяемые для устройства полов, лестничных ступеней, тротуаров и др.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Это свойство имеет
важное значение при механической обработке каменных
материалов.

Твердость однородных каменных материалов определяют по шкале твердости, в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по ряду минерал оставляет черту (царапину) на предыдущем, а сам им не прочерчивается (табл. 1).

Таблица 1

Шкала твердости минералов (шкала Мооса)

Минерал	Показатель твердости	Характеристика твердости
Тальк Гипс природный Кальцит   Плавиковый шпат   Апатит     Полевой шпат (ортоклаз)   Кварц Топаз Корунд Алмаз	7	Легко чертится ногтем С трудом чертится ногтем Стальной нож легко оставляет черту Стальной нож оставляет черту при небольшом нажиме Стальной нож оставляет черту при сильном нажиме, минерал на стекле черты не оставляет Стальной нож не оставляет черты, минерал слегка царапает стекло Стальной нож не оставляет черты на этих минералах, минералы легко режут стекло

 

1. Определение сопротивления удару

Содержание работы

 

Описание оборудования: 1. Копер для испытания цилиндрических образцов на удар.

 

Порядок выполнения работы:

 

Испытание на удар природных каменных материалов осуществляют на копре (рис. 3), который состоит из массивной металлической опоры, переходящей внизу в стальную наковальню 1 массой около 50 кг. На опоре вертикально закреплены две направляющие штанги 2, по которым, свободно перемещаясь, движется стальная баба 3 массой 2 кг. Удар бабы по образцу 5, установленному на наковальне производится через подбабок 4, имеющий внизу сферическую поверхность диаметром 1 см; этой сферической поверхностью надбабок соприкасается с образцом в центре его верхней плоскости.

Наверху опоры установлен электродвигатель, который с помощью троса поднимает рамку с бабой, причем благодаря специальному устройству с выдвигающимися штифтами достигается автоматическое разъединение с бабой, в результате чего последняя свободно падает с заданной высоты на подбабок и через него передает удар на испытуемый образец. Для подсчета высоты падения бабы вдоль опоры установлена мерная стальная линейка с сантиметровыми делениями.

Рис. 3. Копер для испытания цилиндрических образцов на удар.

Для испытания изготовляют из горной породы цилиндрические образцы диаметром и высотой 25 мм. Образец устанавливают на наковальню копра и прижимают подбабком точно по центру. Удары должны приходится в центр верхней плоскости образца. Первый удар наносят с высоты 1 см, второй – с 2 см, третий – 3 см и т. д. до разрушения образца, т. е. до появления в образце первой трещины. Показателем сопротивления удару служит номер удара, предшествующего разрушения. Например, если первая трещина появилась от 21-го удара с высоты 21 см, то считают, что сопротивление материала удару равно 20. За окончательный результат берут среднее арифметическое трех определений.

Каменный материал признается хорошо сопротивляющимся удару при показателе, равном 16 и выше, и плохо сопротивляющимся удару при показателе, равном 8 и ниже.

 

 

Обработка результатов измерений

Материал
Размеры образца
Число ударов, разрушивших образец
Среднее

 

ВЫВОДЫ:______________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

 

 

2. Определение сопротивления износу

Содержание работы

 

Описание оборудования: 1. Барабан.

2. Технические весы.

3. Металлические шары.

 

Порядок выполнения работы:

 

Для этого определения применяют барабан Деваля, который состоит из двух полых металлических цилиндров, установленных на общей оси под углом 30°. Для проведения испытания берут пробу щебня массой 5 кг определенной фракции. Пробу щебня перед испытанием промывают от пыли и глины, высушивают до постоянной массы и загружают в прибор. Число оборотов и количество металлических шаров зависит от размера фракции.

 

Размер фракции, мм 5…10 5…15 10…20 20…40

Количество шаров, шт. 8 9 11 12

Число оборотов барабана 500 500 500 1000

 

По окончании испытания содержимое барабана просеивают через предохранительное сито с отверстиями 5 мм и контрольное с сеткой 1,25. Пыль и мелкие частицы отмывают струей воды. Потери массы пробы при испытании на износ R_изн (%) вычисляют как разность между массой исходной навески m₁ и массой заполнителя m ₂, оставшейся на предохранительном и контрольном ситах, после обработки в барабане (эта масса определяется также в сухом состоянии).

Показателем износа считают потерю массы пробы материала после испытания (% к первоначальной массе):

 

%,

 

где m ₁ – масса пробы до испытания, г;

m ₂ – масса пробы после испытания, г.

 

Обработка результатов измерений

Масса пробы до испытания	Масса пробы после испытания	Износ, %

 

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

 

3. Определение истираемости

Содержание работы

 

Описание оборудования: 1. Круг истирания.

2. Механические весы.

3. Штангенциркуль.

 

Порядок выполнения работы:

 

Рис. 4. Машинка ЛКИ для определения истираемости каменных материалов: 1 – диск; 2 – груз; 3 – образец, 4 – шлифовальный порошок.

Истираемость определяют на кругах истирания ЛКИ (рис. 4), основной элемент которых – истирающий диск 1, изготовленный из серого чугуна. К диску, вращающемуся с частотой (0,5 ± 0,02) с^-1, с помощью грузов 2 прижимается образец 3 с усилием 300 Н, что соответствует давлению образца на круг около 60 кПа. Образцы материала должны иметь правильную геометрическую форму. Для испытания используют два образца-куба с ребром 70 мм. Боковые грани образцов-кубов нумеруют цифрами 1...4 и при проведении испытаний в порядке этой нумерации поворачивают образец. Перед испытанием образцы выдерживают не менее двух суток в помещении лаборатории. Влажные образцы предварительно высушивают. Подготовленные образцы взвешивают на технических весах с погрешностью не более 0,1 г и определяют площадь, которая будет подвергаться истиранию, измеряя для этого образец штангенциркулем или линейкой.

На круг равномерным слоем насыпают 20 г абразивного материала: шлифовальное зерно № 16 или стандартный песок. Образцы помещают в гнезда круга, проверяют, свободно ли они перемещаются в вертикальной плоскости, и пригружают грузом. После этого включают привод круга. Через 30 м пути истирания образца (28 оборотов диска) прибор останавливают: с поверхности диска удаляют старый абразивный материал и продукты истирания и вновь насыпают 20 г абразивного материала. Указанную операцию повторяют 5 раз, что составляет один цикл испытаний (150 м пути истирания).

После одного цикла испытания образцы вынимают из гнезда и поворачивают на 90° в горизонтальной плоскости. В этом положении цикл испытаний повторяют. После четырех циклов испытания образцы вынимают, обтирают сухой тканью и взвешивают.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания и вычисляют по формуле:

г/см², (1.6)

 

где m – масса образца до истирания, г;

m ₁ – масса образца после истирания, г;

S – площадь истирания см².

Истираемость образца вычисляют с погрешностью до 0,1 г/см².

В результате испытания принимают среднее арифметическое из ряда определений, полученных для двух образцов. Истираемость некоторых материалов характеризуется следующими данными:

гранит 0,10 ¸ 0,52 г/см²

кварцит 0,10 ¸ 0,30 г/см²

известняк 0,81 ¸ 2,50 г/см²

песчаник 0,86 ¸ 1,30 г/см²

Обработка результатов измерений

№	Масса образца до истирания, г	Масса образца после стирания, г	Площадь истирания, см^2	Истираемость образца, г/см^2

 

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

 

4. Определение твердости

Содержание работы

 

Описание оборудования: 1. Шкала твердости минералов

(шкала Мооса)

 

Порядок выполнения работы:

 

С помощью шкалы Мооса твердость определяют следующим образом. Поверхность испытуемых образцов последовательно прочерчивают минералами, входящими в шкалу, начиная с самого мягкого, до тех пор, пока на поверхности образца один из минералов шкалы не оставит царапину. Твердость испытуемого материала находится между твердостью этого и предыдущего минералов. Например, если испытуемый материал царапается апатитом и не царапается плавиковым шпатом (при этом он сам должен царапать плавиковый шпат), то его твердость будет равна 4…5.

 

Обработка результатов измерений

 

Материал _________________________________________________

 

Выводы: _____________________________________________

___________________________________________________________

___________________________________________________________

Контрольные вопросы:

 

 

1. Что такое сопротивление удару?

2. Как определяют сопротивление удару?

3. Какие каменные материалы испытывают на сопротивление удару?

4. Что такое истираемость?

5. По какой формуле определяют истираемость?

6. Что такое сопротивления износу?

7. Какие материалы испытывают на сопротивление износу?

8. По какой формуле определяют сопротивления износу? Что считают показателем износа?

9. Что такое твердость?

10. Как определяют твердость?

 

РАЗДЕЛ II

 

Керамические материалы

 

Керамическими называют искусственные каменные материалы, получаемые из глиняных масс путем формования, сушки и последующего обжига. После обжига керамические материалы приобретают значительную прочность, водостойкость, морозостойкость и другие ценные свойства.