Определение средней плотности образца правильной геометрической формы.
Для определения средней плотности образцы материала могут быть изготовлены в форме куба, параллелепипеда или цилиндра. При этом необходимо учитывать, что для пористых материалов размер образца кубической формы должен быть не менее 100*100*100 мм, а для плотных- не менее 40*40*40 мм. У цилиндрических образцов диаметр и высота должны быть соответственно не менее 70 и 40 мм.
Образцы правильной геометрической формы (три для испытуемого материала) высушивают в сушильном шкафу при температуре 110±5˚С, охлаждают в эксикаторе и хранят в нем до момента испытания.
При помощи штангенциркуля измеряют размер образца и вычисляют его оббьем, после чего образец взвешивают на технических весах. Каждую грань образца кубической или близкой к ней формы измеряют в трех местах ( a1, а2, а3, b1, b2, b3, h1, h2, h3) по ширине и высоте, как показано на рисунке 1.2, а, и за окончательный результат принимают среднее арифметическое трех измерений каждой грани. На каждой из параллельных плоскостей образца цилиндрической формы проводят два взаимно перпендикулярных диаметра ( d1, d2, d3, d4) , затем измеряют их; кроме этого, измеряют диаметры средней части цилиндра ( d5, d6) в середине его высоты (рис. 1.2, б). За окончательный результат принимают среднее арифметическое шести измерений диаметра.
Рис. 1.2. Схема измерения объема образца
а- кубической формы; б- цилиндрической формы.
Высоту цилиндра определяют в четырех местах ( h1, h2, h3, h4) и за окончательный результат принимают среднее арифметическое четырех измерений.
Образцы любой формы со стороной размером до 100мм измеряют с точностью до 1 мм. Образцы массой менее 500г взвешивают с точностью до 1г.
Объем образца V, м3, имеющего вид куба или параллелепипеда, вычисляют по формуле:
V=aсрbсрhср
Где, aср, bср, hср- средние значения размеров граней образца, м.
Объем образца V, м3, цилиндрической формы вычисляют по формуле
V=(πd 2cр hср) /4,
Где π = 3, 14;
dср- средний диаметр цилиндра, м;
hср- средняя высота цилиндра, м.
Зная объем и массу образца, по приведенной ранее формуле определяют его среднюю плотность. Среднюю плотность материала вычисляют как среднее арифметическое трех значений различных образцов.
Результаты испытания записывают в журнал для лабораторных или практических работ и сравнивают с данными, приведенными в табл. 1.1; в журнале следует зарисовать образцы правильной геометрической формы с указанием их размеров.
1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ
Для сыпучих материалов (цемент, песок, щебень, гравий и др.) определяют насыпную плотность. В объеме таких материалов не только поры в самом материале, но и пустоты между зернами или кусками материала. Это определение выполняют с помощью прибора (рис. 1.5.), который представляет собой стандартную воронку в виде усеченного конуса. Внизу конус переходит в трубку диаметром 20 мм с задвижкой. Под трубкой устанавливают заранее взвешенный мерный цилиндр объемом 1 л (1000 см3). Расстояние между верхним обрезом цилиндра и задвижкой должно быть 50 мм.
В воронку насыпают сухой исследуемый материал, затем открывают задвижку и заполняют цилиндр с избытком, закрывают задвижку и металлической или деревянной линейкой срезают от середины в обе стороны излишек материала вровень с краями цилиндра . При этом линейку держать наклонно, плотно прижимая к краям цилиндра. Необходимо, чтобы цилиндр был неподвижным, так как при толчках сыпучий материал может уплотниться, что увеличит его среднюю плотность. Затем цилиндр с материалом взвешивают с точностью до 1 г. Испытание повторяют пять раз и среднюю плотность материала в рыхлонасыпном состоянии  н, кг/ м3, вычисляют как среднее арифметическое пяти определений , пользуясь формулой:
н=( m1- m2) / V,
Где, m1 – масса цилиндра с материалом, кг;
m2 – масса цилиндра без материала, кг;
V – объем цилиндра, м3.
Результат испытаний заносят в журнал для лабораторных и практических работ, там же зарисовывают схему примененного прибора.
При транспортировании и хранении сыпучие материалы уплотняются, при этом значение их насыпной плотности оказывается на 15-30% выше, чем в рыхлонасыпном состоянии. Определяют насыпную плотность материала в уплотненном состоянии по приведенной выше методике, однако после заполнения цилиндра материалом его уплотняют путем вибрации в течение 30 – 60 с на виброплощадке или путем легкого постукивания цилиндра с материалом о стол 30 раз. В процессе уплотнения материал досыпают, поддерживая некоторый избыток его в цилиндре. Затем избыток срезают и определяют массу материала в цилиндре, после чего вычисляют насыпную плотность в уплотненном состоянии.
1.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ
Пористость материала характеризуется степенью заполнения его объема порами. Ее вычисляют по формуле:
П = [1 – (о/)]100,
Где, П – пористость материала, % ;
о – средняя плотность материала, кг/м3 ;
- истинная плотность материала, кг/м3 .
Для сыпучих материалов по приведенной выше формуле определяют истинную пористость, называемую обычно пустотностью. В данном случае берут насыпную плотность, а вместо истинной плотности – среднюю плотность кусков (зерен) материала. Результаты вычисления пористости материала заносят в журнал для лабораторных и практических работ.
В объеме материала одновременно могут находиться поры и пустоты. Поры представляют собой мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой, пустоты же – более крупные ячейки и полости, образующиеся между кусками рыхло насыпного материала.
Значения пористости строительных материалов различны, например, для стекла и металла пористость составляет 0 %, кирпича – 25 – 35 %, обычного тяжелого бетона – 5 – 10% , газобетона – 55 – 85 %, поропласта – 90 – 95 %.
Пористость в значительной степени определяет эксплуатационные свойства материалов, водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.
1.5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПОГЛАЩЕНИЯ
Водопоглощение – это способность материала впитывать и удерживать в порах воду. Вода заполняет мельчайшие поры и капилляры в материале, но так как часть из них все же оказывается недоступной для воды, а в порах, заполняемых водой, поглощаемой материалом, только приблизительно можно установить открытую пористость. Определяют водопоглощение по массе и объему.
Водопоглощение по массе Вмас ,% , равно отношению массы воды, поглощенной образцом при насыщении, к массе сухого образца:
Вмас = [(m1- m) / m]100,
Где, m – масса сухого образца, кг;
m1 – масса насыщенного водой образца , кг.
Водопоглощение по объему, Воб , % , равно по массе поглощенной образцом воды при насыщении его, отнесенной к объему образца V:
Воб = [(m1- m) /V]100.
Соотношение между водопоглощение по объему и массе равно средней плотности материала в сухом состоянии:
Зная значения водопоглощения по массе и среднюю плотность материала, можно получить формулу для расчета водопоглощения по объему:
Воб = Вмас
Для знакомства студентов с методикой проведения лабораторных испытаний материалов рекомендуется ознакомиться с определением водопоглощения керамического кирпича (см. п. 4.3).
Методика определения водопоглощения различных материалов регламентируется соответствующими ГОСТами.
1.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ
Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание без видимых признаков разрушения и без значительного снижения прочности.
Долговечность материалов в конструкциях зданий и сооружений в значительной мере зависит от их морозостойкости. Замерзание воды, заполняющей поры материала, сопровождается увеличение ее объема примерно на 9%, в результате чего возникает давление на стенки пор, и приводит к разрушению материала. Однако во многих пористых материалах вода не может заполнять более 90% объема доступных пор, поэтому образующийся при замерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. Разрушение такого материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.
С методикой определения морозостойкости материалов студенты могут ознакомиться на примере выполнения испытания на морозостойкость керамического кирпича ( см. п. 4.4).
1.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ
Прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Под воздействием различных нагрузок материалы в зданиях и сооружениях испытывают различные внутренние напряжения ( сжатие, растяжение, изгиб, срез и др.).
Прочность является важным свойством большинства строительных материалов, от ее значения зависит нагрузка, которую может воспринимать каждый элемент при заданном сечении. Если материал обладает большей прочностью, то размер сечения элемента может быть увеличен.
Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности при сжатии, при изгибе и при растяжении. Ее определяют путем испытания образцов ( рис. 1.6 ) в лаборатории на гидравлических прессах или разрывных машинах.
Пределом прочности при сжатии материала называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии Rсж, МПа определяют по формуле:
Rсж = p/S
Где, p – разрушающая нагрузка, Н;
S – площадь поперечного сечения образца, мм2.
Для определения предела прочности при сжатии образцы материала подвергают действию сжимающих внешних сил и доводят до разрушения. Используемые образцы должны быть правильной геометрической формы (куб, параллелепипед, цилиндр). Образцы из природных каменных материалов, имеющих форму кубов, могут быть следующих размеров: 50*50*50, 70*70*70, 100*100*100 мм. Образцы из плотных материалов можно принимать меньшего размера, а из пористых материалов – большего ( рис. 1.6, а и б).
Образцы кубической формы изготавливают при помощи специальных дисковых пил. При распиливании камня под лезвие пилы вводят абразивный порошок в смеси с вязкой суспензией из тяжелой глины. Для очень твердых горных пород, например, кварцитов, применяют корундовые, алмазные и другие диски. Образец камня закрепляют захватами станка и распиливают поочередно в тех направлениях.
Диаметр образцов – цилиндров может быть 50 или 80 мм, а высота – не более двух диаметров. Изготовлять цилиндрические образцы из каменных материалов ( при помощи специальных полых сверл) значительно проще, чем кубические, так как в образцах – кубах требуется тщательная обработка шести граней.
Подготовленные образцы – кубы или цилиндры пришлифовывают на шлифовальном станке по двум противоположным плоскостям, которые должны быть параллельны. Правильность плоскостей проверяют металлическим угольником и штангенциркулем. После изготовления образцы нумеруют черной тушью. Параллельными линиями указывают направление сланцеватости. Форма и размеры образцов должны соответствовать требованиям ГОСТа для каждого вида материала.
Для испытания образцов материала на сжатие применяют гидравлические прессы ( рис. 1.7) и универсальные испытательные машины. Перед испытанием образец очищают мягкой щеткой или тканью, взвешивают, обмеряют с точностью до 1 мм и устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса точно по ее центру. Верхнюю опорную плиту при помощи винта опускают на образец и плотно закрепляют его между двумя опорными плитами. Затем, убедившись в правильности установки образца, включают в действие насос пресса и дают на образец нагрузку, следя за скоростью ее нарастания (0,5 – 1 МПа в 1 с). В момент разрушения образца, т.е. в момент наибольшей нагрузки на образец, стрелка остановится и пойдет обратно. Этот момент необходимо зафиксировать.
Каждый материал испытывают не менее чем на трех образцах. За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов. Результаты испытаний как отдельные, так и средние, заносят в журнал для лабораторных и практических работ.
Физическое состояние материала оказывает большое влияние на значение прочности образцов. Прочность каменных материалов в сухом состоянии почти всегда выше прочности того же материала в насыщенном водой состоянии. Это учитывается коэффициентом размягчения.
Коэффициент размягчения Кр определяют как частное от деления среднего арифметического значения предела прочности при сжатии образцов, испытанных в насыщенном водой состоянии Rнас , на предел прочности образцов в сухом состоянии Rсух .
Предел прочности при изгибе определяют на тех же прессах, что и предел прочности при сжатии, однако применяют специальные приспособления. К нижней опорной плите при помощи двух планок прикрепляют два катка, которые служат опорой для испытуемого образца, а к верхней опорной плите при помощи планок – нож изгиба. Образцы изготавливают согласно ГОСТу на испытуемый материал. Например, при испытании цемента изготавливают образцы – балочки размером 40*40*160 мм ( рис. 1.6, д) , а при испытании древесины – балочки размером 20*20*300 мм ( рис. 1.6, ж). Нагрузка на образец передается одним или двумя грузами.
Предел прочности при изгибе Rизг , МПа, определяют по формулам:
при одном сосредоточенном грузе и образце – балочке прямоугольного сечения
Rизг = (3pl) / (2bh2),
при двух равных нагрузках, расположенных симметрично оси балочки
Rизг = [p (l – a)] / (2bh2),
где, p – разрушенная нагрузка, Н;
l – пролет между опорами, мм;
a – расстояние между грузами, мм;
b и h – ширина и высота поперечного сечения балочки, мм.
Предел прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов.
Предел прочности при растяжении определяю у таких строительных материалов, как древесина, строительные стали, пластмассы, рулонные кровельные материалы. Образцы изготавливают обычно в виде двусторонних лопаток; форму и размер образцов определяют по соответствующим ГОСТам на испытуемый материал.
Перед испытанием измеряют ширину и толщину образца с точностью до 0,01 мм, после чего образец закрепляют в зажимы разрывной машины. Нагружают образец равномерно с заданной ГОСТом скоростью. По силоизмерителю машины определяют максимальную нагрузку.
Предел прочности при растяжении Rp , МПа, вычисляют по формуле:
Rp = p/So ,
где, p – разрушающая нагрузка, Н;
So – первоначальная площадь поперечного сечения образца , мм2.
Предел прочности при растяжении вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов. |
