Методы исследования строительных материалов

Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технология бетона и строительные материалы»

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области строительства и архитектуры в качестве учебно-методического пособия

для студентов специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

М и н с к 2 0 0 8

уд к 691jmr&im^X)

се к з8.з.я?-

М54

А в т о р ы :

Г.С. Галузо, В.А. Богдан,

О.Г. Галузо, В.И. Коваженкова

Ре ц е н з е н т ы :

д-р техн. наук, проф. Белорусского государственного технологического университета КВ. Пищ;

д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой «Химия»

Белорусского национального технического университета В.Н. Яглов

Галузо, Г.С.

М 54 Методы исследования строительных материалов: учебно-мето- дическое пособие для студентов специальности «Производство строительных изделий и конструкций» / Г.С. Галузо [и др.]. - Минск: БИТУ, 2008.-227 с.

ISBN 978-985-479-845-5.

Изложены общие методы (гравиметрический и титриметрический анализ) исследований состава и свойств строительных материалов. Описаны физико-химические методы (электрохимический, оптический, адсорбционный, спектральный, хроматографический), а также физические методы (рентгенографический, термический, электронномикроскопический). Приведена оценка пожарной опасности строительных материалов и способы определения их реологических свойств. Рассмотрены современные физические и механические неразрушающие методы (акустические, механические, радиационные, магнитные, комплексные, термо- и люминисцентная дефектоскопия) исследования свойств и контроля технологических процессов, качества готовых строительных материалов и изделий.

Для студентов специальности «Производство строительных изделий и конструкций».

У Д К 6 9 1 . 0 0 1 . 5 ( 0 7 5 . 8 )

Б Б К 3 8 . 3 . Я 7

Введение

Повышение качества строительных материалов, изделий и конструкций - одна из важнейших современных проблем, так как определяет в последующем долговечность, надежность зданий и сооружений. Повышение качественных показателей, правильная их оценка, стабилизация свойств строительных материалов и изделий является главной составляющей сторон научно-технического прогресса в строительной индустрии. Решению этой задачи во многом способствуют современные физические, физико-химические методы исследования, контроля и оценки строительных материалов.

Главная цель методологии - изучение и анализ методов, средств, приемов, с помощью которых приобретается новое знание в науке как на эмпирическом, так и на теоретическом уровнях знаний. Методология научного исследования рассматривает наиболее существенные особенности и признаки методов исследования. Особенно велика роль эксперимента в получении первичной эмпирической информации как специального способа проверки гипотез и теорий в науке.

Очень важна проблема обработки и систематизации опытных данных. Только научно обоснованные методы обработки и представления результатов экспериментов позволяют дать объективную оценку и толкование параметрам исследуемого процесса, высказать соображения по прогнозу его развития, обобщить полученные результаты. Правильная обработка результатов экспериментов нередко позволяет подтвердить реально существующие аналогии, зафиксированные в ходе опыта. На первом этапе широкое распространение получили графические способы - графики, диаграммы, номограммы и т.п. Несколько позже начали развиваться графоаналитические способы, которые отличаются меньшей трудоемкостью по сравнению с графическими способами обработки опытных данных.

В связи с успехами прикладной математики и вычислительной техники широко применяются аналитические способы, которые способствуют внедрению экспериментально-теоретических методов решения задач. Развитие экспериментальных способов связано с появлением высокоточной контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры. Независимо от применяемого способа, обработка результатов эксперимента должна проводиться с учетом их статистической природы, т.е. методами теории вероятностей и математической статистики.

3

При решении научной проблемы можно выделить эмпирический и теоретический уровни знаний. На эмпирическом уровне исследователь новое знание получает из опыта в результате наблюдения, описания эксперимента. Наиболее важный источник эмпирического знания - научный эксперимент. В отличие от наблюдения и описания эксперимент является активным средством получения нового знания, поскольку экспериментатор в процессе опыта имеет возможность управлять процессом изучения явления, следить за его развитием, видоизменять или же воспроизводить его вновь.

Теоретическое знание с методологической точки зрения относится к высшему уровню научного знания. Оно раскрывает и обосновывает наиболее глубокие и существенные стороны изучаемых явлений. Результаты теоретического знания находят свое выражение в таких формах, как закон, научная гипотеза, теория. Открытие и формулировка законов составляет важнейшую цель научного исследования.

Научный закон - это выражение объективных связей, отношений предметов и явлений, происходящих в природе, обществе и мышлении. Закон представляет собой формулировку наиболее существенных, необходимых, устойчивых и повторяющихся связей между составляющими исследованного явления. Различают законы динамические и статистические. В динамических законах связь между составляющими явления имеет однозначный характер. В статистических законах, которые в современной науке играют все более существенную роль, связи не однозначны, они имеют вероятностный характер и численно выражаются методами математической статистики.

Результатом научного исследования могут быть называемые эмпирические законы, которые основываются на фактах, установленных с помощью наблюдений и эксперимента. Эмпирические законы отражают частные закономерности, обобщающие результаты конкретно поставленного эксперимента, и, с точки зрения научной общности, уступают теоретическим законам. Вместе с тем эмпирические и теоретические законы находятся во взаимосвязи и дополняют друг друга.

Научная теория является высшей формой обобщения и систематизации теоретического знания. Она представляет собой совокупность основных идей, понятий, суждений в той или иной отрасли науки, объединенных в единую и достоверную систему знаний об

4

объекте теории. Необходимыми элементами теории являются эмпирические факты, гипотезы, законы. Теория неправильна, если ошибочна фактически лежащая в ее основе программа исследований и не оправдываются ее объяснительнопредсказательные возможности.

Целью преподавания дисциплины «Методы исследования и контроля строительных материалов» является ознакомление будущих инженеров-технологов с основными методами исследования состава, свойств строительных материалов и изделий, контроль их качества, приобретение современными специалистами экспериментальных навыков исследования.

Дисциплина «Методы исследования и контроля строительных материалов» состоит из двух частей: «Методы исследований состава и свойств строительных материалов» и «Современные методы контроля технологических процессов, качества готовых строительных материалов и изделий».

5

Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОШИБКАХ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерения являются основной процедурой любого количественного эксперимента. Только на основе точно приведенных измерений можно получить достоверные значения характеристик изучаемого явления. Точность измерения представляет собой степень приближения результатов измерения к действительному значению измеряемой величины. Достоверность же показывает степень доверия к результатам измерения. Точность и достоверность измерений зависит от особенностей объекта, категории и состояния контроль- но-измерительных приборов, испытательных машин и стендов, а также определятся методикой обработки результатов измерений, квалификацией лаборантов и другими факторами.

Экспериментатор должен квалифицированно пользоваться измерительной техникой, знать природу погрешностей (ошибок) и правильно их оценивать, грамотно решать вопросы, .связанные с необходимым количеством экспериментов, уметь сделать общий анализ результатов и т.п.

Различают измерения прямые и косвенные. При выполнении прямых измерений искомую величину определяют исходя непосредственно из опыта, при косвенных ее вычисляют на основании известной зависимости между искомой величиной и величинами, установленными прямыми измерениями. Различают также особо точные (эталонные), высокоточные и технические измерения. В экспериментальных измерениях применяются, как правило, два класса измерений - высокоточные для наиболее ответственных экспериментов - ошибка не должна превышать заданных значений - и технические - ошибка определяется точностью применяемых средств измерения. Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Его результат всегда содержит некоторые ошибки, как говорят результат измерения изначально отягчен ошибкой измерения.

Ошибки измерения подразделяются на систематические, случайные и промахи (грубые ошибки). Ошибка является систематической, если ее значение при многократных измерениях одним и тем же методом, с помощью одних и тех же приборов одинаково. Систематические ошибки необходимо оценивать, а при возможности исключать. Увеличение числа измерений не ведет к уменьшению систематической ошибки.

6

Ошибка является случайной, если ее значения различны даже в результате измерений, выполненных одинаковым способом. Причины случайных ошибок не могут быть регламентированы и учтены. Анализ случайных погрешностей основывается на методах теории случайных ошибок. Промахами являются грубые ошибки по вине экспериментатора. При обработке результатов промахи исключаются. Суммарная ошибка измерений определяется по формуле

соответственно.

Независимо от своей природы ошибки бывают абсолютные и относительные. Абсолютной ошибкой А(х) называют разность между результатом измерения х и действительным значением а измеряемой величины:

Л(х)=х-а. (1.2)

Абсолютная ошибка не позволяет судить о точности измерений. Представление о точности измерений дает относительная ошибка

обработки результатов эксперимента (измерения, наблюдения и т.п.), в которые входят графические способы обработки (дифференцирование, интегрирование), аналитические (интерполирование многочленами, численное дифференцирование, способ наименьших квадратов, локальная апроксимация опытных данных и др.).

Точечные оценки должны обладать свойствами несмещенности, состоятельности и эффективности. Если оценка удовлетворяет этим требованиям, она дает наилучшее приближение к истинному значению параметров распределения.

Оценка называется несмещенной, если ее теоретическое среднее значение (математическое ожидание) совпадает со значением оце-

7

ниваемого параметра. Несмещенность оценки гарантирует отсутствие в результате измерений систематической ошибки. Оценка называется состоятельной, если при неограниченном увеличении числа измерений она по вероятности стремится к значению 9. Выбранная несмещенная оценка в называется эффективной, если она имеет наименьшее рассеивание среди всех несмещенных оценок значения в. При равноточных измерениях точечной оценкой истинного значения а случайной величины х является среднее (среднее арифметическое) результатов и измерений в выборке

Для оценки дисперсии измерений можно использовать выборочную дисперсию

Для нормального распределения оценка х является несмещенной, состоятельной и эффективной, а оценка S2 несмещенной и состоятельной. На практике вместо с2 и S2 используют а и S, которые называются средним квадратическим отклонением (стандартом) и средним выборочным отклонением (выборочным стандартом). Точечные оценки зависят от объема выборки. Если ее объем достаточно велик (N— 1 > 30-50), то выборочные оценки дают хорошее приближение к генеральным параметрам тх и ст2.

Выборочные точечные оценки сами являются случайными величинами. Поэтому с помощью данных оценок нельзя судить о том, как точно найденная оценка воспроизводит истинное значение генеральных параметров. Чтобы убедиться, к каким погрешностям приводят выборочные оценки, применяют так называемые доверительные интервальные оценки. Интервальное оценивание особенно необходимо при малом числе измерений, когда точечная оценка малонадежна.

Формирование доверительной интегральной оценки. По данным выборочных измерений выбрать такой числовой интервал,

8

который с заданной доверительной вероятностью (надежностью) р - 1 - q накрывает оцениваемый генеральный параметр в, который можно записать в следующем виде:

вероятность того, что истинное значение параметра в менее чем на s отличается от его оценки в.

9