I. Основные свойства материалов

Тверь 2004

 

I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

 

Строительные материалы и конструкции воспринимают те или иные нагрузки и подвергаются воздействию окружающей среды. Поэтому строительные материалы должны обладать комплексом определенных показателей свойств, например, достаточной прочностью, способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности, совместному воздействию воды и мороза и т.п.

Важнейшими свойствами строительных материалов, определяющими их долговечность и надежность, являются физические и механические свойства.

Физические свойства материала характеризуют его строение или отношение к физическим воздействиям окружающей среды. Физические свойства разделяются на:

1) удельные характеристики состояния и структурные характе­ристики (истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность; общая, открытая и закрытая пористость);

2) свойства материалов по отношению к действию воды, или гид­рофизические свойства (влажность, водопоглощение и другие), а также к одновременному действию воды и мороза (морозостой­кость);

3) свойства материалов по отношению к действию тепла или хо­лода, т.е. теплофизические свойства (теплопроводность, тепло­емкость, огнеупорность, огнестойкость и другие).

Механические свойства строительных материалов характери­зуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил или внутренних напря­жений.

Механические свойства разделяют на деформативные (упру­гость, пластичность и другие) и прочностные (пределы прочно­сти при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная проч­ность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).

Лабораторные работы, относящиеся к данному разделу, содержат методики определения основных физических и механических свойств материалов в основном применительно к испытаниям каменных материалов и прежде всего бетона.

 

Лабораторная работа №1

Определение средней плотности образцов правильной геометрической формы

 

Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. вместе с порами и пустотами. Средняя плотность ρ₀ (г/см³, кг/м³) вычисляется по формуле

ρ₀ = m / V₀, (4)

 

где m – масса материала; V₀ – объем материала в естественном состоянии.

Для определения плотности* используют образцы материала в форме куба, параллелепипеда или цилиндра.

Штангенциркулем измеряют образцы с точностью до 0,1 мм, и вычисляют их объем, после чего взвешивают на технических весах. Каждую грань образца кубической или близкой к ней формы измеряют в трех местах, как показано на рис.2а. За окончательный результат принимают среднее арифметическое трех измерении каждой грани. На каждой из параллельных плоскостей образца цилиндрической формы проводят два взаимно перпендикулярных диаметра (d₁, d₂, d₃, d₄) и измеряют их длину; кроме того, измеряют диаметры средней части цилиндра (d₅, d₆) в середине его высоты (рис.2б). 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. Образцы массой менее 500 г взвеши­вают с точностью до 0,1 г, а массой 500 г и более - с точ­ностью до 1 г.

Объем образца (см³), имеющего вид куба или параллеле­пипеда:

(5)

где а_ср, b_ср, h_ср - средние значения размеров граней об­разца, см.

Объем образца цилиндрической формы (см³)

, (6)

где π =3,14; d_ср ^_ средний диаметр цилиндра, см; h_ср ^_ сред­няя высота цилиндра, см.

 

_______________________________________________

*Для краткости допускается вместо термина «средняя плотность» применять термин «плотность».

 

 

Зная объем и массу образца, по формуле (4) вычисляют его плотность как среднее арифметическое трех ее значений различных образцов.

 

Рис.2. Схемы измерения объема образцов правильной геометрической формы

Полученные результаты:

 

Вывод:

Рис.3. Объёмомер Рис.4. Взвешивание образца

на гидростатических весах

 

Полученные результаты:

Вывод:

 

Определение пористости

Пористость (общая) П – степень заполнения материала порами:

П = V_n / V₀, (10)

где V_n – объем пор в материале; V₀ – объем материала в естественном состоянии.

Открытая пористость П_о определяется как отношение суммарного объема пор, насыщающихся водой, V_n^вод к объему материала V₀, т.е.

П_о = V_n^вод / V₀. (11)

Закрытая пористость П_з:

П_з = П – П_о. (12)

Существует два способа определения общей пористости: экспериментальный и экспериментально-расчетный.

Экспериментальный (прямой) способ основан на замещении порового пространства в материале сжиженным гелием и тре­бует сложной аппаратуры для испытаний.

Экспериментально-расчетный метод определения порис­тости использует найденные опытным путем значения истинной плотности материала ρ и его средней плотности ρ₀ в сухом состоянии. Пористость П (%) вычисляют по формуле

. (13)

Для определения открытой некапиллярной пористости об­разцы насыщают в воде в течение 24 ч, затем выдерживают 10 мин на решетке, после чего определяют их объем по вы­теканию воды с помощью объёмомера или как разность между весом образцов на воздухе и в воде при взвешивании на гидростатических весах без предварительного высушивания и парафинирования. Открытую некапиллярную пористость П_он (%)вычисляют по формуле

 

, (14)

где V₀ - общий объем образца, см³; V₁ - объем насы­щенного водой образца, cм³.

Открытую капиллярную пористость П_ок (%) определяют по формуле

П_ок = В_о, (15)

где В_о – объемное водопоглощение материала, % (см. п.6).

Открытая пористость материала в целом П₀ (%) равна

П_о = П_он + П_ок. (16)

Закрытую пористость П_з (%) вычисляют по формуле (12).

Полученные результаты:

 

Вывод:

 

 

Определение влажности

Влажность материала характеризуется тем количеством воды, которое содержится в порах и адсорбировано на поверхности образца.

Влажность образца W (%) вычисляется по формуле

W = , (17)

где m_в – масса влажного образца, г; m_с – масса сухого образца, г.

Влажность бетона определяют по образцам или пробам, полученным дроблением образцов после их испытания на проч­ность. Наибольший размер кусков после дробления должен быть не больше 5 мм. Путем квартования отбирают пробу 100 г, которую сушат при температуре (105±5)°0 до постоянной массы. Чтобы установить в процессе высушивания достижение пробой постоянной массы, производят взвешивания не менее чем через 4 часа. Массу считают постоянной, если разница между повторными взвешиваниями оказалась не более 0,1 %.Влажность образца вычисляют по формуле (17).

Полученные результаты:

Вывод:

 

Определение водопоглощения

Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в порах воду. Определяют водопоглощение по массе и объему.

Водопоглощение по массе В_м (%) вычисляют по формуле

, (18)

где m_н – масса насыщенного водой образца, г; m_с – масса сухого образца, г.

Водопоглощение по объему В_о (%) – степень заполнения объема материала водой, характеризующую в основном его открытую пористость, ─ вычисляют по формуле

, (19)

где V₀ – объем образца, см³; ρ_в – плотность воды (1г/см³).

Зная водопоглощение по массе В_м и плотность ρ₀, можно рассчитать водопоглощение по объему

 

. (20)

Испытание производят на образцах в виде кубов с реб­ром 100 или

150мм или в виде цилиндров, имеющих такие же диаметр и высоту. Допускается определение водопоглощения материала на образцах, имеющих неправильную геометричес­кую форму и массу не менее 200 г. Образцы высушивают до постоянной массы, а затем помещают в емкость, наполненную водой с таким расчетом, чтобы уровень воды в емкости был выше верхнего уровня уложенных образцов примерно на 50 мм. При этом образцы укладывают на прокладки так, чтобы высота образца была минимальной. Температура воды в емкости должна быть (20±2)°С.

Образцы взвешивают через каждые 24 ч насыщения водой с погрешностью не более 0,1 г. При каждом взвешивании образ­цы, вынутые из воды, предварительно вытирают отжатой влаж­нойтканью. Массу воды, вытекшую из пор образца на чашку весов, следует включать в массу насыщенного образца.

Насыщение водой производят до тех пор, пока результаты двух последовательных взвешиваний будут отличаться не более чем на 0,1 г.

Водопоглощение по массе и объему вычисляют по формулам (18) - (20).

Водопоглощение материала определяют также методом кипя­чения образцов. При этом образцы кипятят в сосуде с водой. Объем воды должен не менее чем в два раза превышать объем установленных в нем образцов. После каждых 4 ч кипячения образцы охлаждают в воде до комнатной температуры, обтира­ют влажной отжатой тканью и взвешивают. Испытание произво­дят до тех пор, пока результаты двух последовательных взве­шиваний будут отличаться не более чем на 0,1 %. Расчет водопоглощения ведут по указанным выше формулам.

 

 

Полученные результаты:

Вывод:

 

 

 

Лабораторная работа №2

Лабораторная работа №3

Лабораторная работа №4

При твердении

 

Процесс твердения цемента сопровождается равномерным изменением объема цементного теста и камня. Однако наличие в цементе свободных СаО и МgO, которые гасятся с увеличением объема в уже затвердевшем цементном камне, может привести к неравномерным деформациям и образованию трещин в твердеющих бетонах и растворах.

Равномерность изменения объема цемента устанавливается кипячением в воде образцов – лепешек. Для изготовления лепешек берут 400 г цемента и из него приготовляют тесто нормальной густоты. Отвешивают четыре навески теста по 75 г и помещают каждую навеску в виде шарика на стеклянную пластинку, предварительно протертую машинным маслом. Осторожно постукивая пластинкой о край стола, получают из шарика лепешку диаметром 7-8 см, и толщиной в средней ее части около 1 см. Поверхность полученных лепешек заглаживают от наружных краев к центру смоченным в воде ножом. Приготовленные таким образом лепешки хранят в течение (24±2) ч с момента изготовления в ванне с гидравлическим затвором при температуре (20±5)⁰С. В ванне устанавливаются решетки для размещения на них образцов. Под решеткой должна быть вода.

Затем лепешки с пластинками вынимают из ванны, лепешки снимают с пластинок и помещают на решетку в бачок с водой. Решетка должна находиться на расстоянии не менее 5 см от дна бачка. Уровень воды в бачке должен закрывать лепешки на 4-6 см в течение всего времени кипячения. Бачок закрывают крышкой и ставят на нагревательный прибор и доводят до кипения за 30-45 мин. Кипячение производят в течение 3 ч, после чего лепешки в бачке охлаждают до температуры (20±5)⁰С и производят их внешний осмотр немедленно после извлечения из воды.

Цемент соответствует требованиям равномерности изменения объема, если на лицевой стороне лепешек, подвергнутых испытаниям, не обнаружится радиальных, доходящих до краев трещин или сетки мелких трещин, а также каких-либо искривлений и увеличения объема лепешки. Наличие искривлений устанавливается при помощи линейки, прикладываемой к плоской поверхности лепешки. Появляющиеся иногда в первые сутки после изготовления трещины усыхания, не доходящие до краев лепешек, не являются признаком недоброкачественного цемента, если на обратной стороне отсутствуют радиальные трещины, доходящие до краев, и лепешки при постукивании одна о другую издают звонкий звук.

 

Полученные результаты:

 

Вывод:

 

Лабораторная работа № 9

III. ТЯЖЕЛЫЕ БЕТОНЫ

 

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, мелкого и крупного заполнителей и воды, взятых в определенных пропорциях.

В строительстве наиболее широко используют тяжелые бетоны с плотностью 2100…2500 кг/м³ на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.). Для получения тяжелых бетонов чаще всего используют различные цементы, в основном портландцемент и его разновидности. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит. Между цементным камнем и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия, поэтому заполнители часто называют инертными составляющими. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и изменениях влажности окружающей среды и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. Кроме того, применение рационально составленной смеси заполнителей позволяет значительно снизить расход наиболее дорогого компонента – цемента в бетоне (до 10…15 % от массы бетона), что уменьшает стоимость бетона.

Лабораторная работа №5

Требования к щебню и гравию по зерновому составу

 

Диаметр отверстий контрольных сит, мм	Днаим	0,5(Днаим+Днаиб)	Днаиб	1,25Днаиб
Полные остатки на ситах, % по массе	90…100	30…80	До	До 0,5

При изготовлении бетона большое значение имеют такие характеристики зернового состава крупного заполнителя, как наибольшая и наименьшая крупность. Наибольшая крупность щебня (гравия) определяется размером отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 5%; наименьшая крупность определяется размером сита, на котором полный остаток не менее 95%. Пустотность крупного заполнителя не должна превышать 45%.

Гравий (щебень) считается морозостойким, если в насыщенном водой состоянии он выдерживает без разрушения многократное попеременное замораживание при –15⁰С и оттаивание, причем суммарная потеря в массе зерен должна быть не более 10%, а при 50 циклах и больше испытаний на морозостойкость ─ не более 5%. Щебень и гравий по морозостойкости подразделяют на марки: F15, F25, F50, F100, F150, F200, F300, F400.

Прочность крупного заполнителя характеризуют степенью дробления (дробимостью) при испытании в стальном цилиндре на гидравлическом прессе.

С целью радиационно-гигиенической оценки заполнителей бетона контролируют их удельную эффективную активность естественных радионуклидов.

 

 

Лабораторная работа № 6

Рис. 13. Определение жесткости бетонной смеси упрощенным способом

Контрольные вопросы

 

1. Чем бетонная смесь отличается от бетона?

2. Какими показателями характеризуют удобоукладываемость бетонной смеси?

3. На какие группы и марки разделяют бетонные смеси по удобоукладываемости?

4. Как определяют подвижность бетонной смеси?

5. Для каких бетонных смесей и как определяют жесткость?

6. Как определяют жесткость бетонной смеси упрощенным способом и как в этом случае соотносится показатель жесткости с показателем, определенным на стандартном приборе?

7. В каких единицах выражают показатели удобоукладываемости бетонной смеси?

Лабораторная работа № 7

Неразрушающими методами

Для более полного контроля прочности бетона в изделиях недостаточно обычных стандартных испытаний контрольных образцов. Образцы имеют другие размеры, что сказывается на условиях их формования и твердения, и поэтому они оценивают прочность бетона в изделии лишь с некоторой степенью приближения.

В настоящее время широко используют неразрушающие методы контроля прочности бетона, которые позволяют ориентировочно определить прочность в любой конструкции или на любом отдельном участке конструкции или изделия без их разрушения. Неразрушающие методы можно разделить на

две группы: механические или поверхностные (методы упругого отскока, ударного импульса, пластических деформаций, отрыва участка конструкции, скалывания ребра конструкции и т.д.) и физические (ультразвуковые, резонансные методы, метод свободных колебаний). При использовании неразрушающих методов прочность бетона определяют по градуировочной зависимости, связывающей косвенный показатель прочности бетона (величина отскока бойка, диаметр отпечатка на бетоне, скорость прохождения через него ультразвукового импульса и т.п.) с прочностью бетона. Градуировочная зависимость устанавливается на основании параллельных испытаний под прессом и неразрушающим методом не менее чем пятнадцати серий контрольных образцов-кубов. Контрольные образцы отбираются из произвольно выбранных замесов. Если отобранные таким образом образцы не обеспечат разброса значений прочности бетона в диапазоне, дающем возможность построить градуировочную зависимость, допускается изготавливать до 40% образцов с отклонениями по цементно-водному отношению до ±0,4.

Среди механических неразрушающих методов на практике наиболее распространены: метод пластических деформаций, основанный на принципе заглубления в бетон бойка (шарика) при ударе и получения отпечатка (лунки) на бетоне определенного диаметра, и метод упругого отскока, в котором косвенной характеристикой прочности является величина отскока бойка от поверхности бетона (или прижатого к ней ударника).

Первый метод испытания бетона реализуется с помощью пружинных приборов с определенной энергией удара, а также молотка Кашкарова с произвольной энергией удара. С целью уменьшения влияния этого параметра на результаты измерений, при использовании последнего прибора косвенной характеристикой прочности бетона является соотношение диаметров отпечатков на бетоне и эталонном стержне.

Эталонный молоток конструкции К. П. Кашкарова представлен на рисунке 14. Метод определения прочности бетона заключается в том, что при ударе молотком по поверхности бетонной конструкции одновременно образуется два отпечатка: первый диаметром — на бетоне, второй диаметром — на введенном в молоток эталонном стержне. За косвенную характеристику прочности бетона принимают отношение : , по которому определяют прочность бетона в данном месте конструкции. Эталонный стержень изготовлен из стали Ст3 длиной 150 и диаметром 10 мм; конец стержня заострен.

Эталонным молотком наносят не менее 5 ударов в различных точках по длине или площади конструкции. Во время испытания необходимо следить за тем, чтобы ось головки молотка была перпендикулярна поверхности испытуемой конструкции. После каждого удара эталонный стержень передвигают таким образом, чтобы расстояние между центрами соседних отпечатков было не менее 10 мм. Удары по поверхности испытуемой конструкции наносят так, чтобы расстояние между местами испытаний было не менее 30 мм. Диаметр лунок на бетонной поверхности и эталонном стержне измеряют с точностью до 0,1 мм угловым масштабом, состоящим из двух стальных измерительных линеек, склепанных под углом.

 

Рис. 14. Эталонный молоток конструкции К.П. Кашкарова

 

Для облегчения измерения диаметров отпечатков на бетоне удары можно производить через листы копировальной и белой бумаги.

Прочность бетона в конструкции устанавливают с помощью градуировочной зависимости по среднеарифметическому значению косвенной характеристики. Полученные таким образом значения прочности справедливы для бетона с влажностью 2 – 6%. В случае повышенной влажности значения предела прочности бетона необходимо умножить на поправочный коэффициент влажности, принимаемый равным при влажности 8 % ─ 1,1; при влажности

12 % ─ 1,2.

Метод упругого отскока позволяет получать более достоверные данные о прочности бетона, так как на величину упругого отскока в большей степени влияют внутренние слои конструкции. Этот метод осуществляется с помощью молотков Шмидта, часто называемых склерометрами. ОМШ–1 (рис.15) предназначен для определения прочности бетона на сжатие в диапазоне

5 – 40 МПа в бетонных и железобетонных конструкциях.

Перед выполнением удара нажатием ладони на сферический конец индентора 1 приводят склерометр в рабочее положение. При этом стрелка на шкале прибора должна занять нулевое положение. Затем устанавливают склерометр в выбранную точку испытуемой поверхности перпендикулярно к ней.

 

 

 

Рис. 15. Склерометр ОМШ–1

 

 

Удерживая склерометр за корпус двумя руками так, чтобы один палец находился у стопора, прижимают индентор к поверхности бетона и плавно сдвигают к ней корпус прибора до щелчка (удара). Не отводя склерометр от поверхности бетона, нажимают пальцем на кнопку – стопор 2, фиксируя положение бегунка со стрелкой 3 после удара. Высоту отскока определяют по шкале с точностью до единицы (0,5 деления шкалы).

Таким образом выполняют испытание в не менее чем пяти точках изделия. Затем вычисляют среднее значение величины упругого отскока и определяют прочность бетона по градуировочной зависимости, заранее установленной путем параллельных испытаний контрольных кубов бетона склерометром и на прессе. При испытании контрольных кубов склерометром они должны быть зажаты в прессе усилием (30±5) кН. Положение склерометра относительно испытуемой поверхности должно быть таким же, как и при установлении градуировочной зависимости, то есть горизонтально. При необходимости испытания горизонтальных или наклонных поверхностей следует учесть угол наклона между продольной осью прибора и горизонтальной плоскостью для введения поправки при обработке результатов.

 

VI. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон, которая содержится в стволе дерева.

Древесина обладает рядом ценных свойств: небольшой плотностью, высокой прочностью, малой теплопроводностью, гибкостью и упругостью, высоким коэффициентом конструктивного качества. Однако при использовании древесины в строительстве необходимо учитывать такие недостатки этого материала, зависящие от его строения и состава, как неоднородность свойств по объему и направлению (анизотропия), гигроскопичность, приводящая к изменению размеров, короблению и растрескиванию, загнивание во влажных условиях и возгорание при действии высоких температур.

 

Лабораторная работа №10

Рис. 21. Образец для испытания на сжатие вдоль волокон

 

В целях экономии времени можно воспользоваться результатом определения влажности древесины, который был получен при выполнении предыдущей работы, так как образцы древесины хранились в одинаковых условиях.

Предел прочности при сжатии древесины вдоль волокон при данной влажности древесины вычисляют с погрешностью не более 0,5 МПа (5 кгс/см²) по формуле

, (52)

где Р_макс – максимальная нагрузка, Н (кгс); a, b – размеры поперечного сечения образца, мм (см).

Предел прочности при сжатии вдоль волокон для образцов с влажностью меньше предела гигроскопичности пересчитывают на стандартную влажность 12% с погрешностью до 0,5 МПа по формуле

, (53)

где a – поправочный коэффициент, равный 0,04 на 1% влажности; R_W – предел прочности при сжатии образца с влажностью W в момент испытания, МПа (кгс/см²); W – влажность образца в момент испытания, %.

Прочность древесины при сжатии R_сж при стандартной влажности в кгс/см² рассчитывают по формуле

, (54)

где m – содержание поздней древесины, %; А, В – коэффициенты, принимаемые по таблице 18.

Прочность древесины при сжатии R_сж при стандартной влажности

Тверь 2004

 

I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

 

Строительные материалы и конструкции воспринимают те или иные нагрузки и подвергаются воздействию окружающей среды. Поэтому строительные материалы должны обладать комплексом определенных показателей свойств, например, достаточной прочностью, способностью сопротивляться физическим и химическим воздействиям среды: воздуха и содержащихся в нем паров и газов, воды и растворенных в ней веществ, колебаниям температуры и влажности, совместному воздействию воды и мороза и т.п.

Важнейшими свойствами строительных материалов, определяющими их долговечность и надежность, являются физические и механические свойства.

Физические свойства материала характеризуют его строение или отношение к физическим воздействиям окружающей среды. Физические свойства разделяются на:

1) удельные характеристики состояния и структурные характе­ристики (истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность; общая, открытая и закрытая пористость);

2) свойства материалов по отношению к действию воды, или гид­рофизические свойства (влажность, водопоглощение и другие), а также к одновременному действию воды и мороза (морозостой­кость);

3) свойства материалов по отношению к действию тепла или хо­лода, т.е. теплофизические свойства (теплопроводность, тепло­емкость, огнеупорность, огнестойкость и другие).

Механические свойства строительных материалов характери­зуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил или внутренних напря­жений.

Механические свойства разделяют на деформативные (упру­гость, пластичность и другие) и прочностные (пределы прочно­сти при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная проч­ность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).

Лабораторные работы, относящиеся к данному разделу, содержат методики определения основных физических и механических свойств материалов в основном применительно к испытаниям каменных материалов и прежде всего бетона.

 

Лабораторная работа №1