Лабораторная работа №1

«Определение физических свойств строительных материалов»

Цель работы: изучить методики определения физических свойств строительных материалов.

1 Теоретическая часть

Истинная плотность – плотность материала в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот.

ρ= , [ ] (1)

где m – масса материала в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор и пустот, г;

V – объем абсолютно плотного материала, см³.

Средняя плотность – плотность материала в естественном состоянии, то есть с порами и пустотами.

ρ₀= , [ ] (2)

где m – масса материала в естественном состоянии, то есть с порами и пустотами, г;

V – объем материала в естественном состоянии, то есть с порами и пустотами, см³.

Насыпная плотность - это плотность в неуплотненном состоянии.

ρ= , [ ] (3)

где m₁ – масса мерного сосуда без сыпучего материала, г;

m₂ – масса мерного сосуда с сыпучим материалом, г;

V – объем мерного сосуда, см³.

Пористость - характеристика материала, совокупная мера размеров и количества пор в твёрдом теле.

∏=(1 - ) · 100% (4)

где ρ – истинная плотность материала, ;

ρ₀ – средняя плотность материала, .

2 Методика проведения эксперимента

Подготовка пробы

Для определения истинной плотности каменного материала из отобранной и тщательно перемешанной средней пробы отвешивают 200—220 г. Кусочки отоб-ранной пробы материала сушат в сушильном шкафу при 110±5°С до постоянной массы; затем их тонко измельчают и агатовой или фарфоровой ступке. Получен-ный порошок просеивают через сито с сеткой № 02. Отвесив в фарфоровой чашке навеску около 180 г просеянного порошка, его снова высушивают при 110±5°С, а затем охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе, где порошок хранят до проведения испытания.

2.1 Определение истинной плотности с помощью пикнометра

Навеску материала массой 60-80 г высыпают с помощью воронки в чистый высушенный и предварительно взвешенный пикнометр, после чего взвешивают пикнометр с материалом. Затем в пикнометр на ⅔ расширенной части наливают инертную по отношению к испытуемому материалу жидкость и нагревают на пес-чаной или водяной бане в течение 20-25 минут. После этого пикнометр охлаждает-ся до комнатной температуры и доливают жидкость до риски, после чего протира-ют тканью и взвешивают.

Истинную плотность вычисляют по формуле

ρ= , [ ] (5)

где m₁ – масса пикнометра с навеской порошка, г;

m₂ – масса пустого пикнометра, г;

m₃ – масса пикнометра с навеской порошка и жидкостью, г;

m₄ – масса пикнометра с жидкостью, г;

– плотность жидкости при температуре 20⁰С

2.2 Определение истинной плотности с помощью колбы Ле-Шателье

1 – объемомер, 2 – сосуд с водой, 3 – термомерт

Рисунок 1 – Объемомер Ле-Шателье.

Объемомер наполняют до нижней, нулевой черты жидкостью, инертной по от-ношению к порошку материала: водой, безводным керосином или спиртом. После этого свободную от жидкости часть (выше нулевой черты) тщательно протирают тампоном из фильтровальной бумаги. Затем объемомер помещают в стеклянный сосуд с водой, имеющей температуру 20 °С (температура, при которой градуирова-ли его шкалу). В воде объемомер остается все время, пока идет испытание. Чтобы объемомер в этом положении не всплывал, его закрепляют на штативе, так чтобы вся градуированная часть шейки находилась в воде.

От подготовленной пробы, находящейся в эксикаторе, отвешивают с точнос-тью до 0,01 г на часовом стекле 80 г материала и высыпают его ложечкой через во-ронку в прибор небольшими порциями до тех пор, пока уровень жидкости в нем не поднимется до черты с делением 20 см³ или до черты в пределах верхней градуи-рованной части прибора. Разность между конечным и начальным уровнями жид-кости в объемомере показывает объем порошка, всыпанного в прибор. Остаток по-рошка взвешивают. Масса порошка, всыпанного в объемомер, будет равна разнос-ти между результатами первого и второго взвешивания.

Истинную плотность материала вычисляют по формуле

ρ= , [ ] (6)

где m₁ – навеска материала до опыта, г;

m₂ – остаток навески, г;

V – объем жидкости, вытесненной навеской материала, см³.

Истинную плотность материала вычисляют с точностью до 0,01 г/см³ как среднее арифметическое двух определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,02 г/см³.

2.3 Определение насыпной плотности

В воронку насыпают сухой исследуемый материал, затем открывают задвиж-ку и заполняют цилиндр с избытком, закрывают задвижку и металлической или де-ревянной линейкой срезают от середины в обе стороны излишек материала вро-вень с краями цилиндра. При этом линейку держат наклонно, плотно прижимая к краям цилиндра. Необходимо, чтобы цилиндр был неподвижным, так как при толчках сыпучий материал может уплотниться, что увеличит его плотность. Затем цилиндр с материалом взвешивают с точностью до 1 г.

1 - корпус, 2 – трубка, 3 – задвижка, 4 мерный цилиндр.

Рисунок 2 – Стандартная воронка.

Насыпная плотность вычисляется по формуле

ρ_н= , [ ] (7)

где m₁ – масса цилиндра с материалом, г;

m₂ – масса цилиндра без материала, г;

V – объем цилиндра, см³.

2.4 Определение средней плотности образцов правильной геометрической формы

Для определения средней плотности материалов правильной геометрической формы, необходимо учитывать, что для пористых материалов размер образца ку-бической формы должен быть не менее 100x100x100 мм, а для плотных - не менее 40x40x40 мм. У цилиндрических образцов диаметр и высота должны быть соот-ветственно не менее 70 и 40 мм.

Образцы насушивают в сушильном шкафу при 110±5 ⁰С, охлаждают в эксика-торе и хранят в нем до момента испытания.

а – кубической формы, б – цилиндрической формы

Рисунок 3 – Схема измерения объема образцов.

Образцы правильной геометрической формы измеряют штангенциркулем, вы-числяют объем и взвешивают на весах. Каждую грань образца измеряют трижды,

за окончательный результат принимают среднее арифметическое.

Образца любой формы со стороной до 100 мм измеряют с погрешностью до 0.1 мм, размерами 100 мм и более с погрешностью до 1 мм.

Образцы массой менее 500 г взвешивают с погрешностью до 0.1 г, а массой 500 г и более – до 1 г.

Объем образца, имеющего вид куба или параллелепипеда

V₀=a_срb_срh_ср, [м³] (8)

где a_ср, b_ср, h_ср – средние значения размеров граней образца, см.

Объем образца цилиндрической формы

V₀= , [м³] (9)

где =3.14;

d_ср – средний диаметр цилиндра, см;

h_ср – средняя высота цилиндра, см.

Зная объем и массу образца, по формуле (2) вычисляют среднюю плотность. Среднюю плотность материала вычисляют как среднее арифметическое трех его значений различных образцов.

2.5 Определение средней плотности образцов неправильной геометрической формы

При определении плотности образцов неправильной геометрической формы используется метод основанный на измерении, с помощью объемомера, объема вытесненной из сосуда жидкости, в который образец погружают, или метод гид-ростатического взвешивания. После парафинирования образец перевязывают ни-тью и погружают в объемомер.

1 – металлический цилиндр, 2 – латунная трубка, 3 – стакан,

4 – испытуемый образец

Рисунок 4 – Взвешивание с помощью объемомера.

Рисунок 5 – Взвешивание образца на гидростатических весах.

ρ_m= = , (10)

где m₁ – масса сухого образца, г;

m₂ – масса образца, покрытого парафином, г;

m₃ – масса образца, покрытого парафином в воде, г;

– средняя плотность парафина, 930 г/см³;

– значение, соответствующее объему образца, покрытого парафином, см³;

V₁ – объем сосуда с водой с погруженным в него материалом, см³;

V_n – объем сосуда с водой, см³.

2.6 Определение пористости строительных материалов

Для сыпучих материалов по приведенной выше формуле определяют истин-ную пористость, называемую обычно пустотностью. В данном случае берут насып-ную плотность, а вместо истинной плотности — среднюю плотность кусков (зерен) материала.

∏= ·100%, [%] (11)

где – средняя плотность материала, кг/м³;

– истинная плотность материала, кг/м³.

3 Результаты экспериментов

Таблица 1 – Определение истинной плотности

Наименование материла	m, г	m1, г	m2, г	ρH2O, г/см3	ρэ, кг/м3	ГОСТ, кг/м3
Силикатный кирпич	10	148,4	142,43	1	2481	2400-2600
Керамический кирпич	10	146,92	141	1	2451	2400-2700
Песок	10	148,3	142,15	1	2597	2500-2600

где m – масса навески материала, г;

– плотность воды, 1 г/см³;

m₁ – масса пикнометра с материалом и водой, долитой до риски, после нагревания, г;

m₂ – масса пикнометра с водой, долитой до риски, г.

Таблица 2 – Определение средней плотности образцов правильной геометрической формы

Наименование материала	m, г	Размеры, см			V, см3	ρ0э, кг/м3	ГОСТ, кг/м3
		l	b	h
Силикатный кирпич	3700	24,8	11,8	6,4	1873	1975	1800-2000
Керамический кирпич	3965	24,8	13	6,6	1964	1881	1600-1900
Тяжелый бетон	2505	10	10	9,9	990	2530	2200-2700
Асфальтобетон	825	6,9	6,9	6,5	309	2670	2500-2700
Арболит	270	7	7	7	343	787	350-800
Древесина	135	9,9	6	4,5	267	506	500-700

,

где m – масса материала, г;

V – объем материала, см³;

l, b, h – длина, ширина и высота, соответственно, образца правильной геометрической формы, см.

Таблица 3 – Определение средней плотности образцов неправильной геометрической формы

Наименование материала	m, г	VH2O, мл	VH2O, см3	, кг/м3	ГОСТ, кг/м3
Гранит	280	110	110	2545	2500-2700
	280	110	110	2545

ср=2545

Таблица 4 – Определение насыпной плотности

Наименование материала	mц, г	mц+м, г	Vц, см3	, кг/м3	ГОСТ, кг/м3
Песок	225	1725	1000	1500	1500-1600
	225	1725	1000	1505

ср = 1503

где m_ц+м – масса цилиндра с материалом, г;

m_ц – масса цилиндра, г;

V_ц – объем цилиндра, см³.

Таблица 5 – Определение пористости строительных материалов

Наименование материала	, кг/м3	ρэ, кг/м3	∏, %	ГОСТ, %
Силикатный кирпич	1975	2481	20	31-23
Керамический кирпич	1881	1451	23	41-29
Песок	1503	2597	42	42-38
Тяжелый бетон	2503	2700	6	18-12
Асфальтобетон	2670	2800	5	25-22
Древесина	506	1600	68	69-62
Гранит	2545	2900	12	14-7

где – средняя плотность материала, кг/м³;

– истинная плотность материала, кг/м³.

Вывод: в ходе лабораторной работы изучили методики определения физичес-ких свойств строительных материалов.

Истинную плотность таких материалов как керамический и силикатный кир-пичи, песок определяли с помощью пикнометра. Полученные значения истинных плотностей входят в пределы, рекомендуемые ГОСТ.

Среднюю плотность строительных материалов правильной геометрической формы определяли путем нахождения их массы и объемы. Полученное значение средней плотности входит в пределы, рекомендуемые ГОСТ.

Среднюю плотность образцов неправильной геометрической формы опреде-ляли с помощью объемомера, путем нахождения объема жидкости, вытесненного материалом. Полученное значение средней плотности входит в пределы, рекомен-дуемые ГОСТ.

Насыпную плотность такого материала как песок определяли с помощью стандартной воронки. Полученное значение насыпной плотности песка входит в пределы, рекомендуемые ГОСТ.

Пористость строительных материалов определяли путем расчетов по форму-лам. Полученные значения пористости входят в пределы, рекомендуемые ГОСТ.

Лабораторная работа №2

Изучение гидрофизических свойств строительных материалов

Цель: изучить методики определения гидрофизических свойств строительных материалов.

1 Теоретическая часть

Влажность – это количество влаги, содержащейся в материале в естественном состоянии, в данный момент времени.

Она определяется отношением воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала.

, [%] (1)

где m_ВЛ – масса материала в естественно влажном состоянии, г;

m_C – масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощением материала называется его способность впитывать и удер-живать в своих порах воду.

Оно определяется как разность весов образца материала в насыщенном водой и сухом состояниях и выражается в процентах от веса сухого материала (водопог-лощение по массе) или от объема образца (водопоглащение по объему).

Водопоглощение по массе определяется по формуле

·100, [%] (2)

где m_B – масса образца, насыщенного водой, г;

m_C – масса образца, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение по объему определяется по формуле

, [%] (3)

где m_B – масса образца, насыщенного водой, г;

m_C – масса образца, высушенного до постоянной массы, г;

V – объем образца, см³;

– плотность воды, г/см³.

Соотношение значений водопоглощений по массе и по объему равно плот-ности материала в сухом состоянии.

, [кг/см³] (4)

Морозостойкостью называется способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности.

2 Методика проведения эксперимента

2.1 Определение влажности строительных материалов

Образец материала правильной геометрической формы, отобранный в соот-ветствии с ГОСТ на метод испытании этого материала, помещают в стаканчик для взвешивания, масса которого известна, и взвешивают вместе с ним. После стакан-чик с образцом устанавливают в су-шильный шкаф при температуре 105±5°С и вы-сушивают до постоянной массы. Перед каждым взвешиванием стаканчик с образ-цом охлаждают, помещая его в эксикатор на 30 мин. Масса образца считается постоянной, если два последовательных взвешивания дают одинаковый результат. По результатам испытаний, используя формулу (1), рассчитывают влажность W образца с погрешностью не более 0,1%. Влажность испытуемого материала равна среднему арифметическому результатов определения влажности двух или трех об-разцов.

2.2 Определение водопоглощения строительных материалов

Испытание проводят также на двух или трех образцах, отобранных в соот-ветствии с ГОСТ. Образцы высушивают до постоянной массы и записывают массу сухого образца. Высушенные и охлажденные до комнатной температуры образцы погружают в воду так, чтобы между ними был слой воды не менее 2 см и не более 10 см, и выдерживают в течение времени, предусмотренного ГОСТ. После насы-щения образцы вынимают из воды, обтирают влажной мягкой тканью и каждый образец немедленно взвешивают (массу воды, вытекающей из пор образцов на чашку весов, включать в массу образца). Водопоглощение определяют по форму-лам (2) и (3).

2.3 Определение морозостойкости строительных материалов

Водонасыщенные образцы помещают в морозильную камеру так, чтобы рас-стояние между ними было не менее 5 см. Продолжительность одного заморажива-ния при постоянной температуре не менее 4 часов. Оттаивание образцов после вы-грузки из морозильной камеры проводится не менее половины времени, чем замо-раживали, в ванной с водой при температуре 18±2ºС.

3 Результаты экспериментов

Таблица 1 – Определение влажности строительных материалов

Наименование материала	mест, г	mсух, г	W, %
Керамический кирпич	3870	3705	4,4
Силикатный кирпич	3890	3740	4

Таблица 2 – Определение водополгощения строительных материалов

Наименование материала	mсух, г	mнас, г	Размеры, см			V, см3	, г/см3	Bm, %	BV, %
			l	b	h
Силикатный кирпич	3700	4095	25	12	6,5	1950	1	10,7	20,2
Керамический кирпич	2475	2950	25	12	6,5	1950	1	19,1	24,4
Тяжелый бетон	2200	2240	10	10	10	1000	1	1,8	4
Асфальтобетон	825	830	6,8	6,8	6,4	295,93	1	0,6	1,7
Древесина	135	210	10	6	4,5	270	1	55,5	27,8
Мелкозернистый бетон	850	880	7	7	7	343	1	3,5	8,7
Стекло	120	120	14,8	7	0,5	51,8	1	0	0

Вывод: в ходе лабораторный работы изучили методики определения гидро-физических свойств строительных материалов.

Влажность таких материалов, как керамический кирпич и силикатный кирпич

определяли путем нахождения массы образца в естественном и сухом состоянии.

Водопоглощение материалов определяли по массе и объему, то есть нахож-дения масс образцов в сухом состоянии и в пропитанном водой, и нахождения объ-ема образцов.

Лабораторная работа №3

«Изучение механических свойств строительных материалов»

Цель работы: изучить методики определения механических свойств строительных материалов.