Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы материаловедения, проектирования и конструирования. Учебное пособие.pdf
Водостойкость
сух
нас
р
R
R
К
=
№ об-
разца
Материал
R
МПа
R
Мпа
R
Мпа
R
Мпа
К
Водостойкостью называется способность материалов сохранять
прочность в насыщенном водой состоянии. Она характеризуется коэффициентом размягчения (Кр), представляющим собой отношение его прочности в насыщенном водой состоянии к прочности в сухом состоянии.
Коэффициент размягчения вычисляется по формуле:
,
(4)
где R
МПа; R
- предел прочности при сжатии образцов, насыщенных водой,
нас
- предел прочности при сжатии сухих образцов, МПа.
сух
Коэффициент размягчения строительных материалов колеблется в
широких пределах: от нуля (для сырцовых материалов из глины) - до 1,
например, у стали и стекла, которые полностью сохраняют свою прочность
при действии на них воды.
Снижение прочности материалов при их увлажнении происходит по
ряду причин, к числу которых, прежде всего, должны быть отнесены возникновение расклинивающего давления в результате плёночной сорбции
воды в местах контактов частиц материалов, имеющих коагуляционную
структуру. Основное влияние на снижение прочности материалов в водной
среде оказывает эффект Ребиндера, в соответствии с которым молекулы
воды, при деформациях тел, способствуют раскрытию щелей (дефектов) и
уменьшают межмолекулярные силы сцепления.
В некоторых случаях прочность снижается за счёт частичного или
полного растворения в воде некоторых элементов структуры материалов.
Подготовка образцов. Для проведения испытаний подготавливается
шесть образцов-кубиков. Из них три кубика насыщаются водой.
Проведение испытания. Испытания осуществляются на гидравличе-
ском пятитонном прессе. Перед каждым испытанием определяется площадь образца, фиксируется разрушающая нагрузка и вычисляется предел
прочности при сжатии в МПа, с погрешностью 1%.
Далее по формуле, приведенной выше, рассчитывают коэффициент
размягчения.
В формулу подставляются среднее арифметическое значение предела прочности при сжатии, полученное при испытании трёх образцов,
как в насыщенном, так и в сухом состоянии. Результаты испытаний записываются в таблицу 3.
Таблица 3
Результаты испытаний
сух,
сух ср,
нас,
нас ср,
р
Вывод.
21
Морозостойкость
Морозостойкость определяют по методике, регламентированной
ГОСТ 7025-91.
Морозостойкость - это способность материала в насыщенном водой
состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.
По морозостойкости изделия подразделяют на марки F 15,2 5, 35, 50,
75, 100 и т.д. Тяжелый бетон F50 – F500, легкий бетон F25-F500, кирпич,
стеновые керамические камни F15-F100.
Подготовка образцов. Для проведения испытаний подготавливается
шесть образцов-кубиков, по методике, описанной выше. Из них три кубика
насыщаются водой.
Проведение испытания. Определение морозостойкости кирпича и
камней производят при объёмном либо одностороннем замораживании.
Объёмное замораживание изделий выполняют в морозильной камере
при температуре минус 15 до минус 20°С. Продолжительность одного замораживания для кирпича и камней, насыщенных водой, не менее 4 часов,
перерыв в процессе одного замораживания не допускается. После окончания замораживания образцы полностью погружают в сосуд с водой температурой плюс 15 до плюс 20°С.
Продолжительность одного оттаивания образцов в воде не менее половины продолжительности замораживания. Цикл одного замораживания
и оттаивания не должен превышать 24 часа. Количество циклов испытания
принимают в соответствии с ГОСТом на материал. Так, бетон, принимаемый для сооружения стен зданий, должен выдерживать от 35 до 50 циклов, а бетон для гидротехнических сооружений – 300 циклов и более.
Изделие считается выдержавшим испытание на морозостойкость, если после установленного стандартом количества циклов попеременного
замораживания и оттаивания ни на одном из пяти образцов не будет обнаружено видимых повреждений (отколов, отслаиваний, шелушений, трещин) и потеря прочности и массы не превышает требований стандарта.
При одностороннем замораживании морозостойкость определяют в
теплоизолирующей кассете с уложенными образцами, которую загружают
в морозильную камеру. При испытании кирпича продолжительность одного замораживания 8 ч. После цикла замораживания теплоизолирующую
кассету с образцами выгружают из морозильной камеры, образцы вынимают из кассеты и оттаивают в воде.
В случае оценки морозостойкости по потере прочности на сжатие и
потере массы кирпичи, установленные в теплоизолирующей кассете, разрезают на две равные части. Половинки образцов подвергают воздействию
отрицательной температуры. Вторые половинки - контрольные.
Морозостойкими называет такие материалы, которые выдержали
определенное количество циклов попеременного замораживания и оттаи-
22
вания без снижения предела прочности при сжатии не более 25% для
нас
мрз
мрз
R
R
К =
(5)
№
Мате-
Количество
Допусти-
Потери в
Предел прочности
кгс/см
К
влаж-
после ис-
растворе
гидротехнического бетона не более 15% или без потери веса не более 5%.
Показателем морозостойкости служит коэффициент морозостойкости,
который определяют по формуле:
Показателем морозостойкости где Rмрз – предел прочности при сжатии после испытания при заданном количестве циклов переменного замораживания и оттаивания, кгс/см2.
Результаты испытания заносят в таблицу 4.
Таблица 4
Результаты испытания морозостойкости
мрз
об-
раз
-ца
риал
циклов
мые по-
тери в
весе, %
весе после
испыта-
ния,кг
при сжатии,
ного
пытания в
2
Считается, что материал выдержал испытание на морозостойкость,
если К
больше или равняется 0,75 и потеря в весе не более 5 %.
мрз
Вывод.
Контрольные вопросы
1. Определите понятия: строительные материалы, изделия.
2. В каких нормативных документах изложены основные требования
к строительным материалам.
3. Методы определения физических свойств строительных материалов.
4. Дайте определение фазовому составам строительных материалов.
5. Микро-, макро- и внутреннее строение строительных материалов.
6. Особенности строительных материалов кристаллической и аморф-
ной структуры.
7. Дайте определение основных понятий: плотность, пористость,
водопоглощение, влажность, теплопроводность.
8. В чем различие между истинной, средней и насыпной плотностью?
9. Зачем измельчают материал при определении истинной плотности?
10. Как определяют размеры образцов и материалов?
11. Чему равны показатели средней плотности каменных, деревян-
ных, металлических материалов?
12. Назовите единицы измерения: плотности, пористости, водопогло-
щения, влажности, теплопроводности, теплоемкости, термостойкости.
23
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель работы: определение механических свойств строительных ма-
териалов.
Определение предела прочности при сжатии строительных материалов
Прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами
или другими факторами (стесненной усадкой, неравномерным нагреванием и т.д.). Под воздействием различных внешних нагрузок материалы в
зданиях и сооружениях испытывают различные внутренние напряжения
сжатия, растяжения, изгиба и др. Прочность материала оценивается пределом прочности (временным сопротивлением), определенным при данном
виде деформации. Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности на сжатие.
Прочность строительных материалов принято характеризовать пределом прочности при сжатии (Rсж) и при растяжении (Rр). Определяют ее
путем испытания образцов материала соответствующей формы (рис. 1а–ж)
на гидравлических прессах (рис. 2).
Рис. 1. Образцы для испытаний материалов:
I – на сжатие; II – на изгиб; III – на растяжение;
а - плотный природный камень; б-пористый природный камень; в - бетон;
г - кирпич (куб склеен из двух половинок); д - цементный раствор; е - кирпич;
ж - древесина; и - сталь
Стандартами установлены следующие показатели прочности материалов:
• предел прочности при сжатии R
cж;
• предел прочности при растяжении Rр;
24
• предел прочности при скалывании Rq.
A
F
R
сррсж
max
.,,
=
(1)
F
Р
R
сж
сж=.
(2)
Рис. 2. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие:
1 - станина; 2 - винтовое приспособление для зажима образца;
3 - верхняя опорная плита; 4 - испытуемый образец;
5 - нижняя опорная плита с шаровой поверхностью; 6 - поршень
Значения показателей прочности определяют путем разрушения испытываемых материалов на специальных прессах, с соблюдением требований стандартов на методы испытаний.
Прочность материалов при испытании образцов на осевое сжатие и
растяжение, а также скалывание (срез) вычисляют по формуле в кг/см
3
, МПа:
,
где F
– разрушающая сила (нагрузка), А – площадь поперечного сече-
max
ния образца до испытания.
Прочностью материала называют напряжение, соответствующее
сжимающей нагрузке, при которой происходит разрушение материала.
Предел прочности при сжатии определяют по формуле.
Предел прочности при сжатии равен в кг/см2, МПа:
,
где Рсж - разрушающая нагрузка, Н (кгс); F - площадь поперечного сечения
образца, м2 (см2).
Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ на соответствующие
материалы.
Для определения предела прочности при сжатии образцы материала
подвергают действию сжимающих внешних сил и доводят до разрушения.
Форма и размеры образцов различных строительных материалов должны
соответствовать требованиям ГОСТ на данный вид материала. Испытуе-
25
мые образцы должны быть правильной геометрической формы в виде куба, цилиндра или параллелепипеда. Образцы природных каменных материалов, имеющих форму куба, могут быть приняты с ребром 50, 70, 100,
150 и 200 мм. Образцы из плотных материалов можно принять меньшего
размера, а из пористых материалов - большего. После изготовления образцы пришлифовывают так, чтобы противоположные нагружаемые грани
были строго параллельны. Правильность плоскостей проверяют угольником и штангенциркулем, образцы маркируют и указывают на них направление сланцеватости (волокнистости).
Для испытания образцов материала на сжатие применяют гидравлические прессы (рис. 2). Предварительно высушенные перед испытанием
образцы измеряют с точностью до 1 мм. Каждый линейный размер куба
вычисляют как среднее арифметическое результатов измерений двух средних линий противолежащих поверхностей образца. Диаметр цилиндра вычисляют как среднее арифметическое значение результатов четырех измерений: в каждом торце по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
По результатам измерений вычисляют площадь сечения образца, перпендикулярную к направлению разрушающего усилия. Направление разрушающего усилия при испытании должно быть принято параллельным
направлению сланцеватости или волокнистости образца. Для испытаний
образец устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса точно по ее
центру. Верхнюю опорную плиту при помощи винта опускают на образец,
плотно закрепляют его между двумя опорными плитами, включают в действие насос пресса и дают на образец нагрузку, следя за скоростью ее
нарастания. Она должна быть 0,5 - 1 МПа в 1 секунду и обеспечить разрушение через 20-60 секунд после начала испытания. Значение разрушающей нагрузки должно составлять не менее 10% предельного развиваемого прессом усилия. В момент разрушения образца, стрелка манометра
пресса остановится и пойдет обратно.
Максимальное показание разрушающей нагрузки фиксируется контрольной стрелкой.
Для каждого материала проводят испытание не менее чем на трех
образцах. За окончательный результат принимается среднее арифметическое
результатов всех испытаний.
После вычисления пределов прочности при сжатии образцов кубов и
образцов цилиндров из природного камня их следует пересчитать и перевести к стандартному - кубу размером 150 × 150 × 150 мм. Для этого результаты испытаний умножают на коэффициент масштабности (Kм), указанный в таблице 3.
26
Таблица 3
Размер ребра куба или диаметра
и высоты цилиндра, мм
Коэффициент масштабности, К
м
кубов
цилиндров
200
1,05
-
150
1,00
1,05
100
0,95
1,02
70
0,85
0,91
от 40 до 50
0.75
0,81
Lgn
LgR
R
n
)28(
28
=
(3)
Переходные коэффициенты масштабности
Бетоны согласно ГОСТ 25192-82 классифицируются по основному
назначению, виду вяжущего, виду заполнителя, по структуре. В зависимости от основного назначения бетоны подразделяются на конструкционные
и специальные (жаростойкие, теплоизоляционные, декоративные и др.)
По виду вяжущего бетоны могут быть на основе цементных, известковых, шлаковых, гипсовых и специальных вяжущих.
По виду заполнителей бетоны могут быть на плотных пористых, специальных заполнителях.
По структуре бетоны могут быть плотной, поризованной ячеистой и
крупнопористой структуры.
В зависимости от плотности бетоны условно делят на тяжелые ρ
от 2000 до 2500 кг/м
3
не более 1500 кг/м
.
3
; облегченные ρср = от 1500 до 2000 кг./м3; легкие ρ
ср.
=
ср.
Прочность бетона зависит от многих факторов, таких как марка цемента, качество заполнителей, качество сцепления вяжущего с заполнителем, водоцементное соотношение, технология приготовления бетонного
раствора, режим твердения и условия хранения (эксплуатации) бетонных
конструкций. Получение бетонов с заданными свойствами достигается расчетом состава бетона. Показатель основных характеристик качества бетона
называют классом (маркой) бетона, которые дают информацию о прочности
бетона, способности воспринимать без разрушения определенные сжимающие нагрузки, действующие на конструкцию в процессе эксплуатации.
Марку бетона определяют по пределу прочности при сжатии
образцов - кубов размерами 15 × 15 × 15 см, при другой длине ребер куба
7; 10; 20; 30 см предел прочности пересчитывают в соответствии с коэффициентами 0,85; 0,95; 1,05; 1,1. Ориентировочно марку бетона можно
определить в любом возрасте (но не менее 3 суток твердения). Стандартными условиями твердения бетона считаются температура 20 плюс 5 °С и
влажность воздуха выше 90 %.
Прочность бетона в возрасте 28 суток (R
) вычисляют по формуле в
28
МПа:
где Rn - прочность бетона в возрасте n суток, МПа; R28 - то же в возрасте
28 суток, n - число суток твердения.
27
При проектировании железобетонных конструкций вместо марки бе-
Размеры
Высота
Площадь
см
Масса,
Плот-
Разру-
Предель-
Примечание
Предел прочности на
сжатие, не менее, МПа
Класс бетона по прочности,
кг/см
Класс бетона
по прочности, МПа
10
100
7,5
15
150
10
20
200
15
25
250
20
30
300
25
35
350
30
40
400
35
45
450
40
50
500
45
60
600
50
70
700
65
c
сж
в
сж
R
R
(4)
тона R
вводят показатель класса бетона В.
28
Для перехода от марки бетона к классу применяют формулу В=0,778
R
, где В - класс бетона по прочности.
28
По результатам испытаний определяют марку, класс, вид бетона и
делают вывод о рациональной области его использования. Исходные данные и результаты испытаний заносят в таблицу 4.
Таблица 4
Исходные данные и результаты испытаний
поперечно-
го сечения
образца, см
образ-
ца, см
попереч-
ного се-
чения,
кг
ность,
3
кг/см
шающая
сила, кН
ное
напряже-
ние, МПа
Классы бетона по прочности и предел прочности бетона на сжатие
2
Таблица 5
Вывод.
Определение водостойкости строительных материалов
Физическое состояние материала, в особенности его влажность, оказывает большее влияние на величину предела прочности образца. Прочность большинства природных и искусственном каменных материалов в
сухом состоянии выше, чем в насыщенной водой состоянии. Свойство материалов сохранять прочность в водонасыщенном состоянии называется
водостойкостью и характеризуется коэффициентом размягчения, который
определяют по формуле в кгс/см2, МПа:
Кр=
28
где,
в
сж
R
c
сж
R
R
=
2
изг
2bh
l3P
(5)
R
=
2
изг
2bh
а)-(lP
,
(6)
- предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов;
- предел прочности при сжатии образцов, высушенных до постоянной
массы.
В соответствии с ГОСТ 30629-99 для определения прочности при
сжатии в насыщенном водой состоянии образцы материалов из горных пород после измерений укладывают в сосуд с водой комнатной температурь
так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем
на 20 мм. В таком положении образцы следует выдержать в течение 48 ч.
После чего их вынимают из сосуда, удаляют влагу с поверхности влажной
тканью и каждый образец подвергает испытанию на прессе по описанной
выше методике. Для испытаний также берут не менее 3-х образцов. По результатам испытаний делается заключение о водостойкости материала и
области его применения. Строительный материал принято считать водостойким, если коэффициент размягчения его составляет не менее 0,8.
Вывод.
Определение предела прочности при изгибе строительных материалов
Предел прочности при изгибе определяют на гидравлических прессах, или на специальных испытательных изгибающих машинах, например,
МИИ - 100. Образцы изготовляет согласно ГОСТ на испытываемый материал. Например, при испытании цемента, гипса, изготавливают образцы балочки размером 40 × 40 × 160 мм (рис. 1 д), а при испытании древесины балочки размером 20 × 20 × 300 мм (рис. 1 ж). Нагрузка на образец может
передаваться одним или двумя грузами.
Перед испытанием образцов на них отмечают метками места приложения нагрузок и опирания, определяют размеры сечения в местах приложения нагрузок (ширину и высоту поперечного сечения). Затем, если испытание проводят на прессе, на нижней опорной плите укрепляют два
опорных катка, на которые устанавливают по меркам, испытуемый образец. Между верхней плитой и образцом устанавливают верхнюю планку,
по которой передается изгибающая нагрузка. После испытаний на прессе
определяется разрушающая изгибающая нагрузка Р
100 сразу определяется величина предела прочности при изгибе R
, а на машине МИИ -
изг
изг
. В
первом случае предел прочности при изгибе определяют по формулам:
а) при одном сосредоточенном грузе и образце - балочке прямоугольного сечения в кгс/см2, (МПа)
изг
;
б) при двух равных грузах, расположенных симметрично оси балочки в 1/3 пролета в кгс/см2, (МПа)
изг
29
где Р
Rсж =Р/F
(7)
Rсж = Rсж [1+a(w-12)],
(8)
- разрушающая нагрузка, Н (кгс);
изг
l - пролет между опорами, м (см);
а- расстояние между грузами, м (см);
b - ширина поперечного сечения балочки, м (см) ;
h - высота поперечного сечения балочки, м (см).
Окончательный результат предела прочности при изгибе вычисляют
как среднее арифметическое результатов испытаний 3-х образцов.
Определение предела прочности древесины при сжатии и изгибе
вдоль волокон на образцах определяют на гидропрессе. Образец имеет вид
прямоугольной призмы сечением 20 × 20 и высотой 30 мм. Перед испытанием проверяют влажность образца.
Перед испытанием измеряют размеры сечения образца в середине его
высоты штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Образец устанавливают
торцевой поверхностью в центре шарнирной опоры приспособления. Приспособление с образцом помещают между головками пресса и слегка зажинают его.
Рис. 3. Образец для испытания на сжатие
Испытания производят равномерно в течение всего испытания до
разрушения образца.
Записывают показания манометра пресса при разрушении образца, умножив показания манометра на площадь поршня пресса, определяют нагрузку при разрушении.
Предел прочности при сжатии определяют по формуле:
Полученный предел прочности при сжатии пересчитывают на cтандартную влажность 12 % по формуле в МПа:
где а=0,04 на 1% влажности, w - влажность % испытанного образца.
Определение предела прочности при изгибе вдоль волокон выполняют на образцах в виде прямоугольной призмы сечением 20 × 20 мм, длиной 300мм. Образцы устанавливают на двух опорах с расстоянием между
ними, равным расчетной длине f р = 240 мм, сверху действует сосредоточенная нагрузка Р, вызывающая разрушение образца. Предел прочности
при изгибе определяют по формуле в МПа:
30