3237

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Строительные конструкции и материалы»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 271501.65 – «Строительство железных дорог,

мостов и транспортных тоннелей» очной и заочной форм обучения

Часть I

Составитель: С.В. Соколова

Самара

2013

1

УДК 691

Материаловедение. Технология конструкционных материалов : методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 271501.65 – «Строительство магистральных железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной и заочной форм обучения. Часть I / составитель : С.В. Соколова. – Самара :

СамГУПС, 2013 – 47 с.

В методических указаниях изложено описание проведения лабораторных работ, включающих испытание свойств строительных материалов, применяемых при эксплуатации и возведении железных дорог, мостов, зданий и сооружений на железнодорожном транспорте. Методические указания составлены с учетом требований действующих стандартов на строительные материалы.

Утверждены на заседании кафедры 22.02.2013 г., протокол № 6. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составитель: Светлана Владимировна Соколова

Рецензенты: к.т.н, профессор СамГУПС И.Е. Сеськин; д.т.н., профессор СГАСУ А.И. Хлыстов

Под редакцией составителей

Компьютерная верстка: Е.А. Ковалева

Подписано в печать 14.06.2013. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 2,94. Тираж 100 экз. Заказ 104.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2013

2

ВВЕДЕНИЕ

Строительство – одна из важнейших отраслей экономики нашей страны. Для возведения зданий и сооружений требуется большое количество строительных материалов. Их стоимость в строительстве составляет 60 % и более от общей стоимости строительства. Кроме того, для удовлетворения постоянно растущих потребностей народного хозяйства в перевозках осуществляется широкое строительство дорог различных технических категорий, что также требует большого разнообразия строительных материалов.

Для того чтобы правильно использовать строительные материалы, надо знать их свойства и назначение. Изучением свойств строительных материалов занимается материаловедение. Строительное материаловедение является фундаментальной наукой прикладного характера, которая представляет собой непрерывно развивающуюся систему знаний о строительных материалах и изделиях. Без достаточных знаний о многочисленных разновидностях строительных материалов, способах их производства и качественных показателях, методах их правильного хранения и использования невозможно проектировать и строить здания и сооружения, ремонтировать или реконструировать их, активно участвовать в деятельности научно-технических и конструкторских организаций строительного профиля.

Промышленность строительных материалов очень разнообразна по видам выпускаемой продукции. От свойств и качества этих материалов зависят долговечность инженерных сооружений и затраты на их ремонт. При решении научных и производственных задач всегда стремятся к улучшению качества и снижению себестоимости строительных материалов, а в архитектуре – к повышению их художественной выразительности, а также к повышению надежности материалов, изделий и строительных конструкций, их долговечности в зданиях и инженерных сооружениях.

Последние годы ассортимент строительных материалов претерпел существенное изменение как за счет импортных материалов, так и за счет освоения производства новых материалов отечественными предприятиями.

Учитывая, что при строительстве дорог и мостов используется значительное количество каменных материалов, которые во многих случаях приходится перевозить на большие расстояния от мест разработки, при производстве работ особое внимание должно быть уделено возможности использования местных строительных материалов.

Кроме того, промышленность строительных материалов использует в качестве сырья попутные продукты и отходы других отраслей промышленности (металлургические шлаки, золы ТЭС, отходы деревообработки и др.), внося свою лепту в решение экологических проблем, вставшим перед человечеством к началу XXI в.

Тем не менее, основной материальной базой строительства остаются традиционные материалы: бетоны, керамика, вяжущие вещества, металлы и др. Их рациональное применение остается главной задачей строителей.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: студент должен приобрести

навыки:

•определения основных физико-механических свойств строительных материалов;

•работы с используемыми приборами и оборудованием;

•обработки результатов испытаний;

умения:

•устанавливать общую зависимость между физическими свойствами материалов;

•анализировать полученные результаты, оценивать влияние структуры исследуемых материалов на их эксплуатационные свойства;

•делать выводы о рациональном применении материалов.

Используемое оборудование: гидравлический пресс П-50; тестер ультразвуковой УК1401; эталонный молоток Кашкарова; прибор Ле-Шателье – Кандло; объемомер; технические весы (точность 0,1 г).

Материалы:

1.Образцы в виде кубов с размерами 50х50х50 мм из гранита, керамики, пеносиликата.

2.Образец керамический неправильной формы.

3.Навеска песка кварцевого – 3000 г.

4.Гипсовая балочка с размерами 160х40х40 мм.

5.Керамзитовый гравий – 200 г.

6.Щебень карбонатный – 200 г.

Теоретические сведения

Долговечность строящихся зданий и сооружений во многом определяется качеством применяемых при строительстве материалов, т.е. совокупностью важнейших свойств, которые обеспечивают их надежную работу в процессе эксплуатации.

Свойства материалов и изделий оценивают путем проведении испытаний по стандартным методикам (ГОСТ). Отступление от этих методик может привести не только к большому разбросу полученных при испытании значений, но и к неправильным выводам о применении материалов и, как следствие, к их преждевременному разрушению при эксплуатации.

Свойства материалов зависят от их состава и структуры. При одинаковом вещественном составе макроструктура оказывает существенное влияние на их свойства и применение.

Физические свойства

Определение плотности материла

В зависимости от вида материала (сыпучие, правильной и неправильной геометрической формы) применяют различные способы определения плотности материала.

4

Определение средней плотности материала

Средней плотностью называют массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами).

Плотность материала рассчитывают по величине объема и по величине массы. Образцы взвешивают на технических весах с точностью 0,1 г и определяют их массу.

Объем образца правильной геометрической формы (рис. 1) в виде параллелепипеда вычисляют по формуле, см3:

V= aср bср hср ,

где aср, bср, hср – средние значения размеров граней образца, см.

Объем образца цилиндрической формы (рис.1.1.) вычисляют по формуле, см3:

где dср – средний диаметр цилиндра, см;

hср – средняя высота цилиндра, см.

Объем образцов неправильной геометрической формы определяют с помощью объемомера (рис. 2) по количеству вытесненной воды в мл (см3).

h

b

а d h

Среднюю плотность вычисляют по формуле:

ρср= m/V,

где m – масса образца, г; V – объем образца, см.

Определение истинной плотности

Истинной плотностью называют массу единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пустот и пор. Для определения плотности твердых материалов применяют прибор Ле-Шателье – Кандло. Материал измельчают и просеивают через сито №02. Объемомер заполняют до нижней нулевой черты водой. Отвешивают 80 г порошка и небольшими порциями засыпают в объемомер, пока уровень жидкости в колбе не достигнет верхней черты. Это соответствует абсолютному объему материала 20 см3. Остаток порошка взвешивают и по разности масс до и после взвешивания определяют массу порошка в объемомере (рис. 3).

5

Плотность исти нную вычисляют п о формуле, г/см3:

ρист = (m – mост)/ Vвод ,

где m – масса порошка, г; mост – масса остатка, г;

Vвод – объем вытесненной воды, м3.

50

Рис. 3. Приб ор Ле-Шателье – Кандло для определения истинной плотности вещества

крупнозернистых материалов применяют мерные цилиндры объемом 5 или 10 л (рис. 4). Испытуемый материал засыпают в предварительно взвешенный цилиндр с

избы тком без уплотнения с высоты 10 см. Излишек материала срезают линейкой вровень с краями сосу да (рис. 5).

Наполненный материалом сосуд взвешивают. Вычисляют насыпную плотность по формуле, кг/л:

ρнас = (m – m ц)/ V ц ,

где m – масса цилиндра с материалом, кг; mц – масса цилиндра, кг;

Vц – объем цилиндра, л.

Определение пористости материала

Пористостью называется степень заполнения объема материала порами (рис. 6). Строение пористого материала характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор. Открытые поры материала сообщаются с окружающей средой и могут сообщаться между собой (рис. 6), поэтому они заполняются водой при обычных условиях насыщения. Открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Пористый материал обычно содержит и открытые и закрытые поры. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает его долговечность. Все свойства материала определяются его составом и строением и прежде всего величиной и характером пористость. Истинная пористость рассчитывается по формуле, %:

Пи = [ (ρист – ρср )/ ρист )]*100,

где ρ ср – средняя плотность материала, г/см3; ρист –истинная плотность вещества, г/см3.

2

3

Рис. 6. Схема заполнения объема материала твердым веществом: а – абсолютно плотный материал; б – пористый материал; 1 – твердое вещество; 2 – поры, сообщающиеся с атмосферой; 3 – замкнутые поры

Определение пустотности материалов

При работах со смесями сыпучих каменных материалов важно знать объем пустот в таких смесях раздробленных материалов (пустотность смеси).

7

Пустотностью называют отношение суммарного объема пустот в рыхлом материале ко всему объему, занимаемому этим материалом. Пустотность рассчитывают по формуле, %:

Ппуст =[( ρср – ρнас)/ ρср]*100,

где ρнас – насыпная плотность материала, г/см3; ρср – средняя плотность материала, г/см3.

Оформление результатов

Для изучения влияния макроструктуры материалов на их свойства в работе используются неорганические материалы с разной структурой: плотной (горная порода гранит), мелкопористой (кирпич керамический), ячеистой (пеносиликат), рыхлозернистой пористой (керамзитовый гравий, песок кварцевый, щебень карбонатный). Для этих материалов определяют показатели и заносят в табл. 1.

Механические свойства

Определение предела прочности разрушающим методом. Испытание образца на предел прочности при сжатии

Прочность строительных материалов – это способность их сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних сил (нагрузок). Схема разрушения образца представлена на рис. 7. Напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца, называется пределом прочности (Rсж). Перед испытанием образец измеряют штангенциркулем, проверяют параллельность граней прилегающих к поверхности опорных плит, устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса и включают систему подачи масла под нижнюю плиту. Нагрузку на бетонный образец повышают плавно до момента, когда образец разрушится (рис. 8). Фиксируют значение разрушающей нагрузки Рmax.

8

Предел прочности при сжатии рассчитывают по формуле, кгс/см2 (МПа):

Р

Р

Определение предела прочности с помощью измерителя прочности методом отрыва со скалыванием

В методе отрыва со скалыванием используют прибор Оникс-ОС. Он предназначен для определения прочности бетона методом отрыва со скалыванием в соответствии с ГОСТ 22690-88 при технологическом контроле качества монолитного и сборного железобетона, обследовании сооружений и конструкций.

Принцип работы прибора заключается в измерении усилия вырыва анкера из бетона. В процессе нагружения пресса усилие растет до экстремального значения и после вырыва фрагмента бетона падает до нуля. Электронный блок автоматически отслеживает процесс нагружения и осуществляет преобразование усилия вырыва F в прочность тяжелого и легкого бетона R (МПа).

Определение пределов прочности неразрушающими методами

Метод определения прочности бетона эталонным молотком К.П. Кашкарова

Метод основан на сравнении диаметров отпечатков на поверхности бетона (dб) и

на специальном стальном эталонном стержне (dэ). Молотком ударяют по поверхности бетона и получают лунки на эталонном стержне и на поверхности бетона (рис. 9, а).

с помощью тарировочной кривой (рис. 9, б) определяют прочность бетона на сжатие.

9

Предел прочности кубов, кгс/см2

300

Рис. 9. Молоток К.П. Кашкарова ( а) и тарировочная кривая определения прочности бетона (б)

Ультразвуковой метод определения прочности

Вультразвуковом методе определения прочности бетона используют прибор

Тест ер ульт развуковой УК 1401 (рис. 1 0).

поверхности материалов и конструкций. Такие оценки основаны на коррекции скорости распространения ультразвуковых волн в материале с его физико-механическими характеристиками и физическими состояниями.

Прибор устанавливается на объект таким образом, чтобы преобразователи были перпендикулярны поверхности. Прижимается с силой 5–10 кН. Прибор переходит в активное состояние. Смена показаний сопровождается короткими звуковыми сигналами.

определяется по тарировочной кривой ( рис. 11).

Рис. 10. Тестер ультразвуковой УК 1 401 Рис. 1.11. Влияние вида щебня на скорость ультразвука: 1 – песчаник; 2 – известняк; 3 – гранит; 4 – доломит; 5 – известняк афонитовый; 6 – доломит прочный

10