6 Рекомендации по организации выполнения контрольной работы, примерный календарный план выполнения

6. 1 Определение физических свойств строительных материалов

Физические свойства материала характеризуют его поведение под воздействием физических факторов, моделирующих воздействие внешней среды и условия работы материала (действие воды, высоких и низких температур и т. п.). К физическим свойствам относятся плотность, пористость, влажность, водопоглощение, морозостойкость.

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

Истинная плотность ρ (кг/м³) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества V(м³):

. (1)

Таким образом, истинная плотность характеризует не материал, а вещество, из которого состоит материал, – это физическая константа вещества.

У каменных материалов как природных (песок, гранит, известняк), так и искусственных (кирпич, бетон, стекло), состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность колеблется в пределах 2500 – 3000 кг/м³.

Истинная плотность органических материалов, состоящих в основном из углерода, водорода и кислорода (битум, полимеры, масла), составляет 800 – 1200 кг/м³. Относительно высокая истинная плотность у древесины – около 1500 кг/м³.

Средняя плотность материала ρ_m (кг/м³) – физическая величина, определяемая отношением массы m (кг) материала ко всему занимаемому им объему V_ест (м³), включая имеющиеся в нем поры и пустоты:

. (2)

Следовательно, плотность материала меняется в зависимости от его структуры. Поэтому искусственные материалы (бетоны, керамику и т. п.) можно получать с заданной (требуемой) плотностью. Например, меняя пористость бетона, можно получить как тяжелый бетон плотностью до 2500 кг/м³, так и особо легкий – плотностью менее 500 кг/м³.

Пористость – степень заполнения объема материала порами, %:

. (3)

Обычно пористость рассчитывают исходя из средней и истинной плотности материала:

. (4)

Влажность – содержание влаги в материале в данный момент, отнесенное к единице массы материала в сухом состоянии. Влажность W_m (%) определяют по формуле

, (5)

где – масса материала в естественно влажном состоянии, г;

– масса материала, высушенного до постоянной массы, г.

Водопоглощение — способность материала поглощать влагу и удерживать ее в своих порах. Водопоглощение характеризуется максимальным количеством воды, поглощаемым образом материала при выдерживании его в воде, отнесенным к массе сухого образца (водопоглощение по массе ) или к его объему (объемное водопоглощение).

Водопоглощение и (%) определяют по формулам:

; (6)

, (7)

где – масса материала в насыщенном водой состоянии, г;

– масса сухого материала, г;

– объем материала в сухом состоянии, см³;

6. 2 Определение механических свойств строительных материалов

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения сжатия, растяжения или сдвига. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, износостойкость, деформативность (упругость, пластичность).

Прочность — свойство материала в определенных условиях в пределах воспринимать нагрузки или другие воздействия, вызывающие в нем внутренние напряжения, без разрушения.

Для определения значения напряжений (МПа), т. е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения материала, возникающих в материале при приложении к нему внешней силы Р (кН), мысленно делают поперечный разрез образца (а – а). Чтобы образовавшиеся половинки образца (I и II) остались в равновесии, внешней силе F'должна противодействовать равная ей внутренняя сила σА, где А (м²) – площадь поперечного сечения образца материала, откуда

. (8)

Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений пропорционально возрастают его относительные деформации ε:

, (9)

где Е – модуль упругости, МПа, характеризующий жесткость материала.

Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Так, модуль упругости каучука 10...20 МПа, а стали – 200 000 МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.

Модуль упругости для каждого образца подсчитывают по данным шести замеров по формуле:

, (10)

где Р – приращение нагрузки, кг;

l – база тензометра, см;

l – среднее арифметическое приращение деформаций, см;

F – площадь поперечного образца, см.

Предел прочности при сжатии определяется по формуле:

, (11)

где А — площадь поперечного сечения образца, м².

Предел прочности при одноосном изгибе определяется по формуле:

, (12)

где Р – разрушающая нагрузка, кг;

l – расстояние между опорами, см;

в, h – толщина и ширина образцов, см.

За конечный результат принимается среднее значение из результатов испытания 3-х образцов.

Предел прочности при двухосном изгибе определяется по формуле:

(13)