Учебное пособие: Методические указания к лабораторным работам основные свойства строительных материалов

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………………………...	6
3.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	6
3.2.	Определение истинной плотности кирпича……………………………………	7
3.3.	Определение средней плотности материалов…………………….…..	9
3.3.1.	Образец материала правильной формы……………………………….	9
3.3.2.	Образец неправильной формы…………………………………….…...	10
4.	Лабораторная работа №2……………………………………………….	12
4.1.	Определение насыпной плотности материалов………………………	12
4.2.	Пустотность……………………………………………………………..	13
4.2.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	13
4.2.2.	Определение пустотности сыпучих материалов……………………..	14
5.	Лабораторная работа №3 Пористость и водопоглощение строительных материалов…………..	15
5.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	15
6.	Лабораторная работа №4 Определение влажности строительных материалов………………….	18
6.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	18
7.	Лабораторная работа №5 Прочность строительных материалов…………………………………	20
7.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	20
7.2.	ЧАСТЬ 1. Определение прочности при сжатии и коэффициента конструктивного качества………………………………………….….	23
7.3.	ЧАСТЬ 2. Определение коэффициента размягчения…………….…..	25
7.3.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	25
7.4.	ЧАСТЬ 3. Определение предела прочности при изгибе……………...	26
8.	Лабораторная работа № 6 Морозостойкость………………………………………………………..	27
8.1.	Определение марки по морозостойкости……………………………...	28
8.1.1.	Теоретическая часть…………………………………………………….	28
9.	Контрольные вопросы…………………………………………………..	31
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.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, изучившие содержание работы по соответствующим методическим указаниям и представившие конспект отчета по работе с необходимыми лабораторными журналами. Конспект отчета составляется в соответствии со структурой лабораторной работы.

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 (свариваемость, гвоздимость, пластичность, спекаемость и др.).

Лабораторная работа № 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)

rи =, г/см3, где

rи – 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)

rо =, г/см3, где

rо – 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);

rн =, г/см3, где

rн – 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 rи > rо > rн

Относительная плотность – это безразмерная величина, равная отношению средней плотности материала к плотности воды при 4°С, равной – 1 г/см3

d=, где

d – относительная плотность;

rо – средняя плотность, г/см3 ;

rв – плотность воды при 4°С, 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

№ опыта	масса пробы порошка m1, г	объем порошка Vа, см3	масса остатка порошка m2, г	масса порошка в объемомере m=m1 -m2, г	Истинная плотность rи =
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

№ опыта	материал образца	масса образца mо, г	размеры образца, см	объем образца V, см3	Истинная плотность rо =
ширина b	длина l	высота h	диа- метр D
г/см3	кг/м3

ВЫВОД.

2.2. Образец неправильной формы

Материалы: кусок кирпича неправильной формы массой 50...70 г; расплавленный парафин, плотностью rп =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 парафином образца m2, г (рис. 1.3.).

Взвешивание провести с точностью до 0,01 г.

Опыт повторить трижды.

Все результаты занести в лабораторный журнал.

Рис. 1.3. Взвешивание образца на гидростатических весах

ЛАБОРАТОРНЫЙ ЖУРНАЛ

№ опыта	масса образца, г	объем парафина Vп =, см3	объем образца Vп =, см3	плотность образца rо =
mо	m1	m2
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. *rв = m1–m2 Þ Vо.п. = , но Vо.п. =V+Vп Þ

Þ V= Vо.п. – 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

№ опыта	материал	мерный цилиндр	масса цилиндра с песком, m2 , г	масса песка, г m=m2 -m1	насыпная плотность rн =
объем, см3 V=Vн	масса m1 , г
г/см3	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:

, где

Пу – пустотность, доли или %;

Vпуст – объем пустот в насыпном объеме материала, см3 ;

V – объем материала, см3 .

Пустотность выражается и в %:

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

№ опыта	материал	масса цилиндра, г	объем цилин-дра, см3 V=Vн	масса материала, г m=m2 -m1	насыпная плотность, г/см3	средняя плотность (табл. знач.), г/см3 rо	пустотность
пустого m1	с ма- териа- лом m2
1 2 3	песок кварц	1000
1 2 3	ще- бень	5000

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):

,

где Vпор – объем пор в материале.

Пористость выражается и в процентах:

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 %:

Объемное водопоглощение – это отношение массы поглощенной материалом воды при определенных ГОСТом условиях к объему материала в сухом состоянии в %:

, где

bm – массовое водопоглощение;

bV – объемное водопоглощение;

mн – масса материала насыщенного водой при стандартных условиях, г;

m – масса воздушно-сухого материала, г;

V – объем воздушно-сухого материала, см3 .

Соотношение между массовым и объемным водопоглощением:

Þ bV =k·bm

Объемное водопоглощение численно равно открытой пористости:

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:

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 105-110°С (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 15-20°С, 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	объем кирпича, см3 V=l·b·h	водопоглощение
массовое	объемное
сухого m	насыщен- ного водой mн
длина l	ширина b	высота h

ПОРИСТОСТЬ

№ опыта	плотность кирпича	пористость	коэф. насыщения пор водой
общая	открытая	закрытая Пзак =По -Поткр, %
истинная rи , г/см3	средняя rо, г/см3

За конечный результат принять среднее значение из 3-х определений.

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:

, где7

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	масса бюкса с сухими песком, г	влажность
пустого m1	с влажным песком m2
1 2 3
среднее значение влажности

Подсчет отклонения отдельного результата от среднего значения.

Расчетная часть:

№ п/п	влажность	Отклонения отдельного результата
Wi ,%	Wср ,%	абсолютное DW=Wср -Wi, %	относительное
1 2 3

ВЫВОД.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите свойства материалов, характеризующие особенности физического состояния строительных материалов.

2. Сравните массовое и объемное водопоглощение для испытуемых материалов. Какая величина – или 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, морозо-стойкости?

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 2400 — 2600 2600 — 2800 2600 — 2800 2600 — 2800 2600 — 2800 1550-1600 2600 — 2700 1300-1400 2400 — 2600 7800 — 7850 2500-2700 3100 2800 2600 2600 2600 2600 2700 2600 2600 2700 2800 2800 2800 2600 2800 2800 2700 2800 2600 3300 2700 - -	2600 — 2700 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 2600 2200-2600 1800-2200 500-1800 £500 700-1300 1800-2000 1200-1500 500-700 100-150 400-1000 400-1000 300-500 1500-1600 1600-1700 1700-1800 600-1400 1400-1800 500-900 800-1200 250-550 300-600

Таблица 2.

Пористость и водопоглощение керамического кирпича

Вид керамического кирпича	Средняя плотность, кг/м3	Пористость, %	Водопоглощение, %
Обыкновенный Условно эффективный Эффективный	1600 – 1900 1400 – 1600 600 — 1400	26 – 38 38 – 46 46 — 76