Иванцов В.А., Гурова Е.В. Лабораторный практикум по дисциплине Материаловедение - файл n1.doc

Иванцов В.А., Гурова Е.В. Лабораторный практикум по дисциплине Материаловедение
скачать (927 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc927kb.06.11.2012 21:47скачать

n1.doc



ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Омск  2010

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Кафедра «Строительные материалы и специальные технологии»


ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»


Составители: В.А. Иванцов, Е.В. Гурова

Омск

СибАДИ

2010



УДК 620.1

ББК 30.121

Рецензент

канд. техн. наук В.Г. Малофеев (СибАДИ)
Работа одобрена научно-методическим советом специальности 270106 в качестве лабораторного практикума для студентов строительных специаль-ностей очной и заочной форм обучения.


Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» / сост.: В.А. Иванцов, Е.В. Гурова. ? Омск: СибАДИ, 2010. ? 24 с.


Изложены методические указания к выполнению лабораторных работ по определению отдельных физических и механических свойств материалов, изучению основных закономерностей искусственных строительных конгло-мератов, даны примеры взаимосвязи структурных показателей со свойствами материалов.

Отдельные задачи, выполняемые в ходе лабораторных работ, содержат элементы научного исследования и могут быть рекомендованы магистрам, обучающимся по программе «Технология строительных материалов, изделий и конструкций».
Табл. 7. Библиогр.: 4 назв.
© ГОУ «СибАДИ», 2010

Введение
Согласно учебному плану специальностей 270102, 270105, 270106, 270109, 270114, 270115 студенты на втором курсе в блоке общепрофессиональных дисциплин изучают дисциплину «Материаловедение».

Дисциплина «Материаловедение» служит основой для дальнейшего изучения свойств и технологий изготовления каждой конкретной разновидности строительных материалов. Она даёт представление студентам об основных теоретических положениях науки о строительных материалах, закономерностях, действующих в этой науке, качественных характеристиках материалов и связи этих характеристик со структурой материала.

Лабораторные работы по этой дисциплине посвящены изучению физических и механических свойств материалов, а также основных закономерностей, действующих в искусственных строительных конгломератах.

Знание общих научных положений, рассматриваемых в дисциплине «Материаловедение», позволяет более осмысленно воспринимать специфические особенности, которыми обладают конкретные строительные материалы. Каждая лабораторная работа рассчитана на 4 учебных часа.


Лабораторная работа № 1
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Цель и задачи работы
Целью данной лабораторной работы является ознакомление студентов с основными физическими свойствами строительных материалов, которые в значительной степени взаимосвязаны с их структурой и проявляются во взаимодействии с окружающей средой.

Основной задачей работы является освоение студентами методик определения таких физических величин, как истинная, средняя и насыпная плотности материалов, а также закрепление знаний по определению показателей влажности, водопоглощения и водонасыщения материалов. Используя полученные знания, студент должен научиться определять расчетным путем пористость и пустотность материалов, а также должен уметь прогнозировать характер взаимосвязи прочности, морозостойкости, теплопроводности материалов в зависимости от изменения их плотности, пористости и водопоглощения.

    1. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение

лабораторной работы
Большинство строительных материалов содержат газовую или жидкую фазу, поэтому для характеристики их структуры используют среднюю плотность. Истинная плотность используется большей частью для изучения свойств кристаллов, минералов, жидких и газовых сред.

Соотношение средней и истинной плотности материала предопределяет его пористость.

Понятие «пористость» включает две основные характеристики материала - геометрическую и структурную. Геометрическая характеристика - это общий объём пор, т.е. собственно пористость. Структурная характеристика - это форма пор, которая зависит от строения твёрдой фазы (материалы зернистые, ячеистые, волокнистые и др.) и характера пор (открытые, замкнутые, сообщающиеся).

Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам.

Практическое значение пористости (и плотности) состоит в том, что от них зависят многие другие физико-механические свойства материалов: прочность, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, звукопроницаемость, долговечность и другие качественные показатели.

Морозостойкость природных и искусственных каменных материалов в строительном материаловедении характеризует способность материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии (без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности).

На морозостойкость материалов оказывают влияние капиллярные поры диаметром более 1 мкм. Это большей частью открытые (канальные) поры, которые способны впитывать воду [1].

Вода, поглощенная материалом, особенно порами поверхностного слоя, замерзает при переходе через нулевую температуру с расширением на 8,3 %. Ритмично чередующаяся кристаллизация льда в порах с последующим оттаиванием вызывает возникновение внутренних напряжений в материале, что приводит к снижению его прочности.

Возможна частичная потеря материалом массы вследствие локальных разрушений.

Верхний критический размер пор, впитывающих воду, не превышает 20 мкм, нижний критический радиус капилляров при заполнении водой около 0,1 мкм [1].

В искусственных конгломератах на основе цементов значительную часть (до 4,5 %) составляют гелевые поры размером 10-2 – 10-4 мкм и контракционные (до 2,5 %) размером 10-1 – 10-2 мкм. Они не оказывают влияния на морозостойкость материала. Вода в них находится в связанном состоянии, температура ее замерзания ниже минус 70 °С.

Объём капиллярных пор в бетоне может составлять 8 – 10 % [2].

В ячеистых бетонах (водопоглощение 40 – 60 %) преобладают крупные (10 – 200 мкм) воздушные поры. Поэтому влияние водопоглощения на морозостойкость в таких материалах второстепенное. Для повышения морозостойкости таких материалов стремятся к созданию ячеистой структуры с замкнутыми малыми порами, повышению плотности стенок между макропорами. Крупные ячейки снижают морозостойкость материала.

Водопоглощение - косвенная характеристика пористости, которая показывает способность материала впитывать и удерживать влагу в период эксплуатации.

Для оценки структуры материала используют коэффициент насыщения пор водой КН, равный отношению водопоглощения по объему к пористости. Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые). Уменьшение КН при той же общей пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости, что обычно проявляется в повышении морозостойкости. Поэтому применение в бетонах технологий воздухововлечения, когда в материале образуются воздушные резервуары, гасящие избыточное давление мигрирующей при замерзании воды, приводят к увеличению морозостойкости бетона.

С пористостью связана теплопроводность материала. Общая теплопроводность материала будет предопределяться теплопроводностью твердых и газовых фаз. Существенное снижение в материале твердой фазы приводит к уменьшению теплопроводности, так как теплопроводность газа на много ниже теплопроводности основного вещества материала. Однако следует учесть, что теплопроводность будет зависеть не только от количественного соотношения фаз, но и от их взаимного расположения, характера пограничного слоя, степени непрерывности или дискретности фаз.

Физические процессы, обусловливающие связь строения и теплопроводности материала, побуждают создавать поры в виде замкнутых ячеек (0,1 – 2,0 мм); материал основного вещества должен быть аморфным с наименьшей плотностью. Общая пористость материала - главный аргумент, определяющий его теплопроводность [2].

Теплопроводность материала, где вместо воздуха будет присутствовать вода, существенно увеличивается, так как теплопроводность воды в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Замерзание воды в порах материала еще больше увеличивает теплопроводность материала, так как теплопроводность льда в 4 раза больше теплопроводности воды.

Водопоглощение не только ухудшает теплоизоляционные свойства материала, но и понижает его прочность и долговечность.

Звукопоглощающие материалы, также как и теплоизоляционные, выпускают с большой пористостью (40 – 90 %), так как коэффициент звукопоглощения сильно повышается при возрастании пористости. Однако требования к характеру пористости особые. Эффективность звукопоглощающего материала возрастает при наличии сквозных (т.е. открытых) пор диаметром до 1 мм или специально предусмотренной перфорации. Для защиты от звука при низких частотах следует применять рыхлый и толстый материал со сквозными порами.

Пористыми должны быть и звукоизоляционные материалы. Если они используются как прокладочные материалы, то основной их характеристикой является динамический модуль упругости. Высокими звукоизоляционными свойствами обладают пористо-волокнистые, резиновые и резиноподобные материалы с губчатой структурой.

Величина пористости одного и того же состава материала предопределяет его прочность. Увеличение пористости приводит к уменьшению прочности материала [3].
1.3. Последовательность и порядок выполнения работы

(содержание заданий)
В течение занятия студенты должны выполнить следующие работы:

Методики выполнения работ изложены в методических указаниях к лабораторной работе «Определение показателей физических свойств строительных материалов» (Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – 17с. Сост. Г.И. Надыкто).
Лабораторная работа № 2
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Цель и задачи работы
Цель работы ? ознакомить студентов с механическими свойствами строительных материалов и привить навыки определения их прочностных свойств при статической нагрузке.

Задачи работы: в результате выполнения работы студент должен уяснить, что показатели прочностных свойств материалов являются величинами условными, зависящими от целого ряда факторов.
2.2. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение

лабораторной работы
Механические свойства строительных материалов обычно разделяют на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы и размера без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформации - растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

Прочность характеризует способность материала в определенных условиях, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других деформаций.

Главнейшие показатели прочности - предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе, кручении, предел упругости, предел текучести. Данные показатели прочности материалов могут быть определены при статических и динамических нагрузках.

В настоящей работе будут рассматриваться показатели прочности при статических нагрузках.

Предел прочности при осевом сжатии Rсж (кгс/см2; МПа) равен частному от деления разрушающей силы Рmax на первоначальную площадь поперечного сечения образца F:

. (1)

Виды образцов, применяемые для определения прочности строительных материалов при сжатии, изгибе и растяжении показаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Схемы стандартных методов определения пределов прочности

при сжатии, изгибе и растяжении


Образец

Эскиз

Расчетная формула

Материал

Размер стандартного образца, см

1

2

3

4

5

Сжатие

Куб






Бетон

10Ч10Ч10

15Ч15Ч15

20Ч20Ч20

Раствор


7,07Ч7,07Ч7,07

Природный камень

5Ч5Ч5 и др.

Цилиндр





Бетон

d=15, h=30


Природный камень

d=h=5;7;10;15


Асфальтобетон

d=h=5,05;7,14;10,1


Призма





Бетон


a=10;15;20

h=40;60;80


Древесина

a=2, h=3


Составной







Кирпич

a=12

b=12,3

h=14


Половинка призмы





Цемент

a=4; S=25 см2

Изгиб

Призма, кирпич





Цемент


4Ч4Ч16; l=10

Кирпич

12Ч6,5Ч25; l=20


Древесина

2Ч2Ч30; l=24

Окончание табл. 2.1

1

2

3

4

5

Растяжение

Стержень





Сталь

d0=1;

l0=5;

l?10d

Цилиндр






Бетон

d=15





Асфальтобетон


d=l=7,14


Предел прочности при изгибе Rи определяют путём испытания образца материала в виде балочек на двух опорах (см. табл. 2.1). Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения.

Предел прочности при нагружении в середине балочки условно вычисляют по формуле

, (2)

где М ? изгибающий момент; W ? момент сопротивления прямоугольного сечения.

Подставив значения М и W в формулу (2), получим:
, (3)

где P ? разрушающая нагрузка (кгс); l ? расстояние между опорами балочки (см); b и h ? ширина и высота балочки в поперечном сечении (см).

В зависимости от соотношения прочностей на сжатие и растяжение при изгибе материалы можно условно разделить на 3 группы. К первой относятся материалы, у которых Rи > Rсж (волокнистые, древесина); ко второй - у которых Rр ? Rсж (сталь); к третьей относятся материалы, у которых Rи < Rсж (хрупкие - природные камни, бетон, кирпич).

Показатели прочности строительных материалов, используемые как характеристики их качества, являются условными величинами, получаемыми по оговорённым в стандартах методам. Это очень важно понимать, так как на получаемый при испытании материалов результат существенное влияние оказывают различные факторы:


Влияние размера и формы образца на показатели предела прочности при сжатии обусловлено двумя факторами: образованием при сжатии поперечных растягивающих усилий и наличием в большем объёме образца большего количества дефектов структуры, влияющих на прочностные свойства материалов. Поэтому у кубиков малых размеров предел прочности при сжатии оказывается выше, чем у кубиков больших размеров из того же материала. В этой связи, при испытании кубиков различного размера из цементобетона используют масштабные коэффициенты.

Призмы показывают меньшее сопротивление сжатию, чем кубы одинакового поперечного сечения. При одноосном сжатии, благодаря наличию у образца свободных вертикальных поверхностей, образуются поперечные растягивающие усилия. Между опорными гранями образца и плитами пресса эти усилия уравновешиваются силами трения. По мере удаления от поверхностей, соприкасающихся с плитами пресса, растягивающие усилия растут, достигая своего максимума по высоте к середине образца.

Особенности поведения материала на границе соприкосновения поверхностей образца и плит пресса приводят также к тому, что при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, камня) получается форма разрушения в виде двух усеченных пирамидок, сложенных вершинами. Если же хорошо смазать опорные грани куба и тем самым уменьшить силы трения, то под нагрузкой куб вследствие свободного поперечного расширения распадается на ряд слоев, параллельных действующей нагрузке. Прочность куба при сжатии будет ниже, чем у такого же образца с несмазанными опорными поверхностями.

На результат испытания влияет скорость нагружения образца. Если нагрузка возрастает быстрее, чем установлено стандартом, то результат испытания получают завышенным, так как не успевают развиваться пластические деформации. В этой связи степень влияния скорости нагружения образца на результаты испытаний будет различна у материалов пластичных и хрупких. Материалы хрупкие мало реагируют на изменение скорости деформирования (в определенных пределах ее изменения).

Для большинства хрупких и пластичных материалов повышение температуры при испытании снижает прочностные показатели образцов, особенно при растяжении и изгибе. Это связано с явлением температурного расширения и увеличением межатомного расстояния. У хрупких материалов при незначительных отклонениях от нормальной температуры (20±2 °С) изменения прочности несущественны. У пластичных материалов эти отклонения проявляются более резко.

2.3. Последовательность и порядок выполнения работы

(содержание заданий)
Содержание заданий и необходимое количество образцов для испытаний представлено в табл. 2.2.
Таблица 2.2

Содержание заданий по лабораторной работе № 2




Вид

материала

Образцы материала

Условия испытания

Цель исследования

1

2

3

4

Упруго-хрупкий

с конгломератной структурой

Балочки размером 4Ч4Ч16 из пескоцементного бетона ? 2 шт.

Балочки испытывают при изгибе по ГОСТ 310.6. Половинки балочек испытывают на сжатие: первая балочка ? одна половинка при скорости деформирования 3 мм/мин; 2-я половинка – при скорости деформирования 30 мм/мин.

Так же испытываются половинки от второй балочки


Студент должен уяснить:

? как влияет скорость деформирования материала типа цементобетона на показатели прочности при сжатии;

? как отличаются показатели прочности материала при сжатии и растяжении при изгибе у искусственных конгломератов типа цементобетона


Упругий

с волокнистой структурой

Балочки размером 2Ч2Ч30 см из древесины – 2 шт.

Подобрать две однородные балочки. Одну испытать на растяжение при изгибе по методике ГОСТ 16483.

Из второй балочки изготовить следующие образцы:

2Ч2Ч2 – 2 шт.,

2Ч2Ч4 – 2 шт.,

2Ч2Ч8 – 2 шт.

Образцы испытать на сжатие при скоростях деформирования 3 и 30 мм/мин

Студент должен уяснить:

? как отличаются показатели прочности материала при сжатии и растяжении при изгибе у материалов с волокнистой структурой;

? как влияет скорость деформирования образца на показатель прочности при сжатии;

? как влияет длина образца на показатель прочности при сжатии

Окончание табл. 2.2.

1

2

3

4

Пластичный

Цилиндры h=d=5 см из асфальтобетона одного состава

(один из типов А, или Б, или В) – 3 шт.

Образцы (2 шт.) испытывают при t=20˚C и 50˚C по стандартной методике для горячего асфальтобетона.

Третий образец испытывают при t=50˚C при скорости деформирования 30 мм/мин


Студент должен уяснить, как могут изменяться показатели прочности пластичных материалов при изменении температуры и скорости деформирования

Упруго- хрупкий

с конгло-

мератной структурой

Образцы-кубы размером 10Ч10Ч10см из цементобетона – 2 шт.

Образцы испытывают по традиционной методике. В процессе испытания у одного образца обеспечивается высокое трение по плоскости образец ? плита пресса, у второго образца плоскости смазываются солидолом или обрабатываются парафином


Студент должен уяснить и зарисовать характер разрушения образца при условиях высокого и низкого трения на границе образец ? плита пресса, а также уяснить, как влияют условия испытания на показатель прочности материала.


2.4. Порядок оформления материалов испытания
В процессе выполнения работы студент в табличной форме записывает все результаты испытаний. При необходимости делаются необходимые рисунки и схемы.

По каждому виду испытаний студент должен сделать выводы в соответствии с поставленной целью испытаний.


Лабораторная работа №3
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ПЕСЧАНОГО ЦЕМЕНТОБЕТОНА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИСКУССТВЕННЫХ КОНГЛОМЕРАТОВ (ИСК) НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ
3.1. Цель работы
Лабораторная работа проводится с целью подготовки образцов для последующего изучения законов створа, прочности и конгруэнции ИСК (по Рыбьеву И.А.) на примере мелкозернистого цементобетона.


    1. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение

лабораторной работы
Закон створа устанавливает: оптимальной структуре конгломерата соответствует комплекс экстремальных значений свойств [2]. Критерии оптимальности структуры: равномерное расположение частиц, минимум дефектов; непрерывность слоя вяжущего (или среды ? с) при минимальной его толщине с минимумом фазового отношения с/ф ? min. Под средой в данном случае понимается водная среда, а под фазой (ф) – минеральное вяжущее. Тогда с/ф будет представлять отношение воды к цементу (В/Ц).

Образцы должны быть приготовлены таким образом, чтобы можно было получить несколько оптимальных структур и на их примере продемонстрировать, что определенному значению с/ф (В/Ц) конгломератов с такой структурой соответствуют экстремальные значения прочности и плотности образцов и подвижности пескоцементной смеси. Эти значения должны располагаться практически на одной прямой линии, т.е. в общем створе. При проведении опытов следует учитывать, что оптимальные структуры с изменением технологических условий наступают при иных соотношениях компонентов.

Общий закон прочности ИСК оптимальной структуры устанавливает, что произведение прочности конгломерата оптимальной структуры на фазовое отношение его вяжущего вещества в некоторой степени n есть величина постоянная: Rиск (с/ф)кn = сonst [2]. Под постоянной величиной имеется в виду произведение Rв (с/ф)вn, где Rв – прочность вяжущего, а (с/ф)в – отношение среды к фазе в вяжущем оптимальной структуры.

Rиск – прочность конгломерата оптимальной структуры.

(с/ф)к – отношение среды к фазе в конгломерате оптимальной структуры.

Применительно к цементному бетону этот закон запишется в виде

, (1)

где Rц – прочность цемента при оптимальной структуре цементного теста; Rб – прочность бетона оптимальной структуры; (В/Ц)к – водоцементное отношение в бетоне (конгломерате) оптимальной структуры; (В/Ц)в – водоцементное отношение в цементном тесте (вяжущем) оптимальной структуры.

Данный закон будет соблюдаться лишь при испытании бетонов на одинаковых материалах с близкой подвижностью бетонной смеси и при применении одинаковых приемов приготовления смеси и испытания готовых образцов.

Это положение предопределяет следующие решения по приготовлению образцов:

1. Для испытания должен быть взят однородный песок. С этой целью песок из ларя для хранения должен быть просеян через сито 5 мм.

2. Для испытания должен быть взят однородный цемент. Для этого проба должна быть взята из центральной части мешка и тщательно перемешана.

3. Технология приготовления и уплотнения всех образцов должна быть одинаковой.

Технология укладки смеси для приготовления всех образцов должна быть также одинаковой, например, она должна соответствовать требованиям стандарта по подготовке образцов для испытания цемента (ГОСТ 310.4).

4. Условия твердения и хранения всех образцов должны быть одинаковыми и оговариваются преподавателем после определения объёма свободных емкостей с гидравлическим затвором.

5. Подвижность бетонной смеси рекомендуется определять на встряхивающем столике по методике определения консистенции пескоцементного раствора при определении активности цемента (ГОСТ 310.4).
3.3. Последовательность и порядок выполнения работы
Для нахождения активности цемента и построения зависимости прочности цемента от водоцементного отношения рекомендуется готовить малые образцы из цементного теста - 2Ч2Ч2 см. Чтобы можно было учесть размер малых образцов, рекомендуется одновременно изготовить стандартные образцы-балочки из водоцементной смеси при нормальной густоте цементного теста.

Цементное тесто для изготовления малых образцов должно быть приготовлено при водоцементных отношениях 0,2; 0,25; 0,30 и 0,35.

С каждым водоцементным отношением готовится 6 образцов.

Образцы песчаного бетона (по две балочки 4Ч4Ч16 см) предполагается готовить из смеси песка и цемента в таком соотношении, чтобы соотношение массы песка и цементного теста в процентах составляло 80:20; 70:30; 60:40 и 50:50. Все эти составы должны быть изготовлены при В/Ц, равном 0,3; 0,4; 0,5 и 0,6.

Образцы испытывают на следующем занятии (через 14 суток).

Необходимое количество материалов для изготовления образцов и дополнительные указания по методике их изготовления представлены в табл. 3.1.

Расход материалов для приготовления пескоцементных смесей дан в табл. 3.2.

Работа по приготовлению образцов ведется по подгруппам. Одна подгруппа готовит составы смесей 80:20 и 70:30, вторая 60:40 и 50:50.

Из каждой смеси готовят 2 балочки размером 4Ч4Ч16 см.

Песок для приготовления балочек отбирают методом квартования.

В чашку загружают необходимое количество песка и цемента. Ингредиенты сначала перемешивают в сухом состоянии (1 мин), затем смесь разравнивают, делают в смеси углубление и заливают в него необходимое количество воды. После впитывания воды смесь предварительно перемешивают вручную 1 мин. Окончательное перемешивание для получения однородной смеси производится в течение 3 мин.

После приготовления смесь загружают по стандартной методике (ГОСТ 310.4) в усеченный конус и определяют расплыв конуса на встряхивающем столике (ГОСТ 310.4).

После этого испытания смесь укладывается в формы образцов-балочек. При этом каждое гнездо формы равномерно заполняют раствором примерно на 1 см по высоте, затем включают виброплощадку и при вибрации в течение 2 мин заканчивают укладку раствора на всю высоту образца. Для обеспечения полного уплотнения смеси форму вибрируют ещё 1 мин.

Условия хранения у всех приготовленных образцов должны быть одинаковыми и оговариваются преподавателем.

Лабораторная работа №4
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИСКУССТВЕННЫХ КОНГЛОМЕРАТОВ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ
4.1. Цель работы
Лабораторная работа проводится с целью подтверждения законов створа, прочности и конгруэнции искусственных конгломератов на основе цементных вяжущих на примере мелкозернистого цементобетона.
4.2. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение

лабораторной работы
Все подготовленные образцы из пескобетона испытывают по методике ГОСТ 310.4.

На основе результатов испытаний малых образцов 2Ч2Ч2 см из цементного камня и образцов-балочек из цементного теста нормальной густоты находится коэффициент перехода от значений прочности, полученных при испытании малых образцов, к значениям прочности цемента, испытанного с использованием балочек размером 4Ч4Ч16 см (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Форма таблицы для установления коэффициента перехода

от результатов испытания малых образцов из цементного камня к показателю прочности цемента, испытанного на стандартных образцах


Средняя прочность цементного камня при оптимальном В/Ц при испытании малых образцов (222 см), кгс/см2

Предел прочности половинок образцов-балочек при сжатии, кгс/см2

Средний предел прочности половинок образцов-балочек при сжатии, кгс/см2

Коэффициент перехода (отношение средней прочности при сжатии половинок образцов-балочек к средней прочности цементного камня при В/Ц, близком к нормальной густоте цементного теста)



образца

Показатель

1

2

3

4

5


4.3 Последовательность и порядок выполнения работы
Испытания проводятся в подгруппах с использованием образцов, составы которых были приняты на лабораторной работе №3.

Результаты испытаний записываются в табличной форме (табл. 4.2, 4.3).
Таблица 4.2
Форма таблицы для записи результатов испытаний малых образцов цементного камня в возрасте 14 суток


Показатель

№ образца

1

2

3

4

В/Ц цементного теста













Масса всех образцов на воздухе, г













Масса всех образцов в воде, г













Объём всех образцов, см3













Средняя плотность образцов, г/см3













Площадь образца, см2













Максимальное разрушающее усилие, кгс













Предел прочности образца при сжатии, кгс/см2













Средняя прочность цементного камня, кгс/см2














Таблица 4.3
Форма таблицы для записи результатов испытаний балочек из пескобетона

в возрасте 14 суток


Показатель



образца

В/Ц пескобетона


Состав

смеси

(отношение П:ЦТ),

%

0,3

0,4

0,5

0,6

1

2

3

4

5

6

7

Масса балочки, г

1

2
















Объем балочки, см3

1

2
















Средняя плотность материала балочки, г/см3

1

2
















Предел прочности балочки на растяжение при изгибе, кгс/см2

1

2
















Окончание табл. 4.3

1

2

3

4

5

6

7

Средний предел прочности на растяжение при изгибе, кгс/см2



















Разрушающее усилие при сжатии половинок балочек, кгс

1

2

3

4
















Площадь пластинок, см2




















Предел прочности при сжатии половинок, кгс/см2

1

2

3

4
















Средний предел прочности при сжатии половинок, кгс/см2




















После расчета средних значений всех показателей строятся графики зависимостей прочности и плотности образцов от В/Ц. Графики строятся как в плоской, так и в пространственной системе координат.

Как указывалось ранее, исходя из закона прочности искусственных конгломератов, формула прочности бетона может быть выражена формулой (1) из лабораторной работы №3.

Используя приведенную формулу, студенты рассчитывают значение n при разных соотношениях П:ЦТ. Полученные значения n должны быть близкие друг к другу.

Закон конгруэнции устанавливает, что между свойствами вяжущего вещества и конгломератом на его основе или между свойствами различных конгломератов на основе общего вяжущего вещества существует обязательное соответствие.

Устойчивую конгруэнцию свойств между конгломератом и его вяжущим часто выражают формулой
, (1)

где RВ и RА – прочности двух конгломератов оптимальной структуры, изготовленных на основе одного и того же вяжущего вещества;
; (2)

. (3)
n1 и n2 находят по формулам:

, (4)

, (5)

Используя экспериментальные данные по прочности пескобетонов при различных соотношениях П:ЦТ, студенты проверяют наличие равенства по формуле (1).
4.4 Порядок оформления материалов испытаний
После проведения всех расчетов студенты строят графики.

Для демонстрации закона створа строится график в прямоугольной системе координат. По оси абсцисс откладывается водоцементное отношение, по оси ординат ? показатели прочности, плотности цементного камня и бетона, а также относительный показатель подвижности пескоцементной смеси. Экстремальные значения этих показателей должны лежать в одном створе при оптимальном значении с/ф.

Для установления наличия законов прочности и конгруэнции у искусственных конгломератов с оптимальной структурой строится график в пространственной системе прямоугольных координат. На оси х откладываются значения фазового отношения с/ф (применительно к бетону В/Ц). На оси y ? величина прочности вяжущего вещества Ц или конгломерата (пескобетона), выражаемая в МПа. На оси z ? массовое содержание В+Ц, выражаемое в процентах или в десятичных долях единицы, и содержание песка в бетоне. Очевидно, доля песка будет равна разнице между единицей и долей В+Ц.

При построении графиков на плоскости x?0?y необходимо нанести экстремальные значения прочности вяжущего и пескобетонов с оптимальным водоцементным отношением. Соединив точки, студенты должны получить гиперболическую кривую оптимальных структур, исходящей из точки максимальной прочности цемента. Кривизна этой гиперболы измеряется величиной показателя п (см. формулу (1) лабораторной работы №3). Величину п можно определить по результатам испытаний пескобетонов с различным отношением П:ЦТ. Искомая величина показателя п находится по формулам (4), (5) лабораторной работы №4. R1 и R2 в формулах ? максимальная прочность пескобетонов при различном соотношении П:ЦТ. Если рассчитанные значения п будут близки, то это подтвердит наличие закона прочности конгломерата.

Равенство по формуле (1) в лабораторной работе №4 подтвердит наличие закона конгруэнции, которому подчиняются конгломераты с оптимальной структурой.

Для дополнительного подтверждения факта, что испытанные пескобетоны подчиняются закону прочности, необходимо рассчитать прочности пескобетонов при различных значениях П:ЦТ с использованием формулы
. (6)
Величина показателя m, будет равна:
. (7)

Необходимо отметить, что рассчитанные значения п могут быть близкими, но не равными друг другу, так как в общей формуле прочности искусственного конгломерата в числителе имеется дополнительный член k ? коэффициент пористости. Когда используется конгломерат оптимальной структуры, то коэффициент k становится практически равным единице, и поэтому в приведенных формулах он не указывался. Однако исследованиями установлено [4], что при оптимальных структурах пористость может доходить до 2-3 %.


Контрольные вопросы для самоподготовки
Лабораторная работа №1

  1. Контрольные вопросы из методических указаний к лабораторной работе «Определение показателей физических свойств строительных материалов» (Омск: Изд-во СибАДИ, 2006).

  2. Понятие о физических свойствах материалов. Дайте их перечень.

  3. Построить и объяснить график изменения зависимости водопоглощения по объему природного материала от объема открытых пор.

  4. Построить и объяснить график изменения прочности строительного материала от количества циклов замораживания-оттаивания.

  5. Построить и объяснить график зависимости показателя водопоглощения строительного материала от длительности пребывания его в воде.

  6. Построить и объяснить график зависимости коэффициента теплопроводности от общей пористости материала.

  7. Построить и объяснить график зависимости средней плотности материала от его пористости.

  8. Построить и объяснить график зависимости теплопроводности материала от степени заполнения пор водой.

  9. Чем объясняется разрушающее действие на строительный материал воды и мороза, от чего зависит морозостойкость материала и чем она характеризуется.


Лабораторная работа №2

  1. Понятие о механических свойствах материалов. На какие группы делятся механические свойства?

  2. Понятие о прочности материала. Как определить прочность материала на сжатие, растяжение и растяжение при изгибе?

  3. Почему показатели прочности материала, например при сжатии, можно отнести к условным?

  4. Как влияет размер образца материала на показатель прочности при статическом сжатии?

  5. Как влияет форма образца материала на показатель прочности при статическом сжатии?

  6. Построить и объяснить график зависимости показателя прочности хрупкого материала при статической нагрузке от скорости ее приложения.

  7. Построить и объяснить график зависимости показателя прочности пластичного материала при статической нагрузке от скорости ее приложения.

  8. Как будет изменяться прочность образцов из хрупких и пластичных материалов при изменении температуры при испытании?

  9. Как будет изменяться прочность материалов при изменении их влажности?

  10. Какие схемы испытаний используют для определения прочности материалов при сжатии, изгибе, растяжении?


Лабораторная работа №3

  1. Какие структуры конгломератов относятся к оптимальным?

  2. Какие структуры искусственных конгломератов относятся к неоптимальным?

  3. Можно ли получить ИСК неоптимальной структуры при использовании одинаковой технологии изготовления смеси и одинаковом качестве исходных материалов?

  4. Всегда ли можно получить ИСК с оптимальной структурой при использовании исходных материалов одинакового качества, но при разных технологиях приготовления смесей?


Лабораторная работа №4

  1. Дайте определение закона створа искусственного конгломерата оптимальной структуры.

  2. Дайте определение и математическое выражение закона прочности искусственного конгломерата оптимальной структуры.

  3. Дайте определение и математическое выражение закона когруэнции свойств искусственного конгломерата оптимальной структуры.

  4. Продемонстрируйте наличие закона створа с использованием экспериментальных данных, полученных в лабораторной работе №4.

  5. Продемонстрируйте наличие закона прочности конгломерата с использованием экспериментальных данных, полученных в лабораторной работе №4.

  6. Продемонстрируйте наличие закона конгруэнции свойств конгломерата с использованием экспериментальных данных, полученных в лабораторной работе №4.

  7. Как учитывается в законе прочности искусственного конгломерата на основе цемента пористость материала?

  8. Какие изменения должны быть введены в формулу прочности конгломерата, если используются материалы, чувствительные к изменению температуры и скорости деформирования?



Библиографический список


  1. Горбунов Г.И. Основы строительного материаловедения (состав, химические связи, структура и свойства строительных материалов): учеб. издание. ? М.: Изд-во АСВ, 2002. - 168 с.

  2. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: учеб. пособие для студентов строительных специальностей вузов. – М.: Высш. шк., 2002. – 701 с.

  3. Микульский В.Г. Строительные материалы: учебник. ? М.: Изд-во АСВ, 2000. - 536 с.

  4. Рыбьев И.А. Материаловедение в строительстве: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 528 с.

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………..……………..

3

Лабораторная работа № 1. Физические свойства строительных материалов………………………………………………………………………..


3

1.1. Цель и задачи работы………………………….………………..

3

1.2. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение лабораторной работы……………………………………………………………


4

1.3. Последовательность и порядок выполнения работы (содержание заданий)……………………………………………………………...


6

Лабораторная работа № 2. Механические свойства строительных материалов………………………….………………………………………….


7

2.1. Цель и задачи работы……………...……………………………

7

2.2. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение лабораторной работы……………………………………………………………


7

2.3. Последовательность и порядок выполнения работы (содержание заданий)…………………...…………….……………………………...


11

2.4. Порядок оформления материалов испытания…………………..

12

Лабораторная работа № 3. Приготовление образцов песчаного цементобетона для изучения основных закономерностей искусственных конгломератов (ИСК) на основе цементных вяжущих…………………..



13

3.1. Цель работы……………………………………………………….

13

3.2. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение лабораторной работы……………………………………………………………


13

3.3. Последовательность и порядок выполнения работы………….

14

Лабораторная работа № 4. Изучение основных закономерностей искусственных конгломератов на основе цементных вяжущих…………...


17

4.1. Цель работы……..………………………………………………...

17

4.2. Руководящие положения, обеспечивающие выполнение лабораторной работы……………………………………………………………


17

4.3. Последовательность и порядок выполнения работы…………..

18

4.4. Порядок оформления материалов испытаний………………….

20

Контрольные вопросы для самоподготовки………………..…………….

21

Библиографический список………………………………….…………….

23

Учебное издание
Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение»

Составители:

Вадислав Александрович Иванцов

Елена Викторовна Гурова


____________________


Редактор Т.И. Калинина


____________________

Подписано к печати

Формат 6090 1/16. Бумага писчая

Оперативный способ печати

Гарнитура Таймс

Усл. п.л….., уч.-изд.л…..

Тираж 50 экз. Заказ №…..

Цена договорная

____________________


Издательство СибАДИ

644099, Омск, ул. П. Некрасова,10

______________________________

Отпечатано в подразделении ОП

Издательство СибАДИ

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Таблица 3.1
Расход материалов для приготовления образцов из цементного теста




смеси

В/Ц

Масса материала, г

Методика приготовления теста и образцов

цемент

вода


1

2

3

4




0,2

0,25

0,3

0,35

150

150

150

150

30

37,5

45

52,5

Цемент распределяется по кругу, в центре делают углубление, в которое выливают воду. После впитывания воды цемент смешивают с водой, тщательно растирают тесто в течение 5 мин. Затем приготовленное тесто закладывают в формы, штыкуют 10 раз каждый образец отрезком проволоки диаметром 3?4 мм по круговой спирали. После этого образцы в форме уплотняют на встряхивающем столике 25 раз


Таблица 3.2
Расход материалов для приготовления образцов мелкозернистого бетона




смеси

Состав смеси

П:ЦТ

(песок:цемент-ное тесто)

Масса

пескоцементной смеси, г

Масса

исходных

материалов, г

Необходимое количество воды и цемента, г, при В/Ц

0,3

0,4

0,5

0,6

Песок

Цем.

тесто

Ц

В

Ц

В

Ц

В

Ц

В

1

80:20

1500

1200

300

231

69

214

86

200

100

188

112

2

70:30

1500

1050

450

346

104

321

129

300

150

281

169

3

60:40

1500

900

600

461

139

429

171

400

200

375

225

4

50:50

1500

750

750

577

173

536

214

500

250

469

281







Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации