Учебники 80255
.pdfМинистерство образования и науки РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
О.А. Чернушкин, А.М. Усачев, С.В. Черкасов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
(контрольные задачи и методические указания по их решению)
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским советом Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
в качестве учебного пособия для студентов заочной формы обучения специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».
Воронеж 2011
1
УДК 620.22, 691.1 (07)
ББК 38.3
Ч-495
Чернушкин, О.А.
Материаловедение. Технология конструкционных
Ч-495 материалов (контрольные задачи и методические указания по их решению): учеб. пособие / О.А. Чернушкин, А.М. Усачев, С.В. Черкасов; Воронеж. гос. арх.-строит.
ун-т. – Воронеж, 2011. – 136 с.
Содержит задачи по материаловедению и технологии конструкционных материалов, а также методические указания по их решению.
Предназначено для студентов заочной формы обучения специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».
Ил. 2. Табл. 10. Библиогр.: 7 назв.
УДК 620.22, 691.1 (07)
ББК 38.3
Рецензенты: кафедра технологии вяжущих веществ, бетонов и керамики Пензенского государственного университета архитектуры и строительства; кафедра строительного материаловедения и технологии
Братского государственного университета; В.В. Кулаков, директор ООО «ЮгоВостокСтройМеханизация»
ISBN 978-5-89040-348-3 |
© Чернушкин О.А, Усачев А.М., |
|
Черкасов С.В., 2011 |
|
© Воронежский государственный |
|
архитектурно-строительный |
|
университет, 2011 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» (контрольные задачи и методические указания по их решению) разработано в соответствии с рабочими программами дисциплин «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» для студентов-заочников, обучающихся по специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы».
Однако пособие может быть использовано студентами других специальностей (профилей), обучающихся по направлению 270100 (270800) «Строительство», изучающих дисциплины «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Строительные материалы и изделия» как по дневной, так и по заочной формам обучения.
Как показывает опыт преподавания данных дисциплин, наибольший эффект при их самостоятельном изучении достигается путем решения конкретных примеров и задач производственной направленности. Тем более, что учебным планом каждой из этих дисциплин предусматривается выполнение студентамизаочниками нескольких контрольных домашних заданий, включающих решение задач.
В настоящем пособии приведены примеры и задачи по двенадцати основным разделам курсов дисциплин «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов». С целью оказания помощи в решении задач и углубления практической подготовки студентов в пособии приведены методические указания по решению задач и необходимые приложения. Дополнительный материал для выполнения контрольных работ студент-заочник может получить из библиографического списка рекомендуемой литературы.
При составлении учебного пособия учтен многолетний опыт работы кафедры материаловедения и технологии строительных материалов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета на заочном факультете.
3
РАЗДЕЛ 1
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.При засыпке 50 г порошка гранита в объемомер Ле Шателье уровень жидкости поднялся до отметки 18 мл. Определить истинную плотность (ρ) гра-
нита и его общую пористость (Побщ), если средняя плотность гранита (ρm)
2720 кг/м3.
2.При определении истинной плотности цемента пикнометрическим методом масса пикнометра с навеской составила 42,8 г, масса пустого пикнометра
–32,35 г, масса пикнометра с керосином – 72,28 г, а масса пикнометра с навес-
кой материала и керосином – 80,02 г. Определите истинную плотность (ρ) цемента, приняв плотность керосина ρкер = 0,798 г/см3.
3.Образец пористого камня неправильной формы имел массу на воздухе
в сухом состоянии (mс) 120 г. После покрытия поверхности образца парафином его масса в воде (mс+пв) составила 48 г. На парафинирование образца израсходовано (mп) 1,2 г парафина плотностью ρп = 0,93 г/см3.
Определить среднюю плотность камня.
4.Масса сухого образца из ракушечника (mс) равна 500 г. После насыщения водой масса образца (mн) составила 640 г. Найти общую пористость, водопоглощение по массе и объему ракушечника, если истинная плотность его ρ = 2,5 г/см3, а объём (V) образца составляет 450 см3.
5.Цилиндрический образец горной породы диаметром (d) 5 см и высотой
(h) 5 см имел массу в сухом состоянии (mc) 225 г. После насыщения водой его масса (mн) составила 245 г. Определить среднюю плотность горной породы и её водопоглощение по массе и объему.
6.Масса образца каменного материала в сухом состоянии (mс) составляет 695 г, а после насыщения его водой (mн) – 715 г. Определить среднюю плотность и общую пористость камня, если известно, что его истинная плотность (ρ) составляет 2,67 г/см3, а объемное водопоглощение (ВV) – 4,28 %.
7.Определить закрытую пористость бетонного образца-куба с ребром
а = 7 см и массой в сухом состоянии ( mс) 750 г, если при полном насыщении водой он увеличил свою массу на 45 г. Истинная плотность (ρ) материала составляет 2,6 г/см3.
8.Каменный материал в естественном состоянии имел массу (mв) 375 г.
4
При сушке он потерял 6,5 % своей массы, а при посл едующем водонасыщении его масса (mн) увеличилась на 40 г. Найти абсолютную влажность и водопоглощение материала по массе.
9.Масса образца камня в сухом состоянии (mс) равна 160 г. После насыщения его водой (mн) она стала 170 г. Определить водопоглощение по массе и среднюю плотность камня, если водопоглощение по объему (ВV) этой горной породы составляет 12,5 %.
10.Абсолютная влажность (Wабс) образца из природного камня равна 4 %. Определить его массу в естественном состоянии mв, если после водонасыщения его масса (mН) составила 225 г, а водопоглощение камня по массе (Вm) – 12,5 %.
11.Масса образца горной породы в водонасыщенном состоянии (mн) составляет 230 г. Определить его массу в естественном состоянии (mв), среднюю
плотность (ρm) и теплопроводность (λ), если водопоглощение по массе (Вm), объему (ВV) и абсолютная влажность (Wабс) составляют 15, 24 и 5 % соответственно.
12. Вычислить толщину стен жилых зданий (δ) из газосиликатных блоков
и керамического полнотелого кирпича, если общее термическое сопротивление стены R0 = 1,4 м2·0С/Вт.
Коэффициент теплопроводности для кладки из керамического кирпича (λкер. кир) составляет 0,65 Вт/м·0С, а для газосиликатной кладки (λгаз) – 0,22 Вт/м·0С.
13.Каменный материал в виде образца кубической формы с ребром (а)
5 см в воздушно-сухом состоянии имеет массу (mс) 90 г.
Вычислить ориентировочный коэффициент теплопроводности и определить, можно ли использовать данный материал в ограждающих конструкциях жилых зданий.
14.В качестве ограждающих конструкций жилых зданий используются трехслойные железобетонные панели с внутренним теплоизоляционным слоем из полужестких минераловатных плит и внешним слоем из тяжелого бетона. Суммарная толщина слоев из тяжелого бетона составляет 10 см.
Определить толщину теплоизоляционного слоя для термического сопротивления ограждающей конструкции R0 = 1,75 м2·0С/Вт.
Коэффициент теплопроводности для тяжелого бетона и минеральных плит составляет соответственно 2,04 и 0,09 Вт/м·0С.
15.Вычислить толщину стен из керамического и силикатного полнотело-
го и пустотелого кирпича для условий ЦЧР, если общее термическое сопротивление стен R0 = 2,89 м2·0С/Вт.
5
Коэффициент теплопроводности для керамического полнотелого кирпича
(λкер. полн) составляет 0,8 Вт/м·0С, пустотелого (λкер.пуст) – 0,58 Вт/м·0С; для кладки из силикатного полнотелого кирпича (λсил.полн) – 0,87 Вт/м·0С, пустотелого
(λсил.пуст) – 0,76 Вт/м·0С.
16. На стройплощадке имеется стальной котел массой (mк) 300 кг для подогрева кровельного битума до температуры (tк) 95 0С.
Какоеколичество(м3) дров потребуется дляприготовления5 тоннбитума (mб)? Начальная температура (tн) котла и битума – 20 0С, КПД котла – 25 %, средняя плотность древесины (ρmдр) – 600 кг/м3, удельная теплота сгорания дров (q) – 12600 кДж/кг. Удельная теплоемкость стали (Cст) – 0,49 кДж/кг, битума
(Сб) – 1,85 кДж/кг.
17. На стройплощадке имеется стальной котел массой (mк) 400 кг для подогрева кровельного битума до температуры (tк) 100 0С.
Какое количество битума (mб) можно приготовить при сжигании 20 т мазута (mм)?
Начальная температура котла и битума (tн) равна 15 0С, КПД котла 30 %, удельная теплота сгорания мазута (qм) - 6000 кДж/кг. Удельная теплоемкость стали (Сст) – 0,49 кДж/кг, битума (Сб) – 1,85 кДж/кг.
18. Какое количество теплоты (Q) за 1 час теряется через стену площадью S = 15 м, толщиной δ = 0,63 м, выложенную из силикатного полнотелого и керамического полнотелого кирпича, если температура внутри помещений (t1) составляет + 20 0С, а снаружи (t2) – 15 0С. Коэффициент теплопроводности керамического кирпича (λкер) – 0,75 Вт/м·0С, а силикатного (λсил) – 0,86 Вт/м·0С.
19. Оценить по величине коэффициента насыщения (Кн) морозостойкость материала, если образец из него в виде куба с ребром (а) 5 см имел массу в сухом состоянии (mс) 175 г, а после насыщения водой его масса (mн) составила 195 г. Закрытая пористость материала (Пзак) 18 %, а истинная плотность (ρ) – 2,4 г/см3.
20. Длина (lt) предварительно напряженной плиты для дорожного строительства при температуре (t1) +10 0С составляет 6 м.
На сколько увеличится длина плиты при нагреве ее до температуры (t2) + 50 0С, если коэффициент линейного температурного расширения железобетона (α) 12∙10-6 м/0C. Какое расстояние между укладываемыми плитами необходимо предусмотреть?
21. По химическому составу шлаков (табл. 1) установить, какой шлак обладает цементирующей способностью и может быть использован в качестве щебня при устройстве дорожных одежд и какой из шлаков более кислотостоек.
6
|
|
|
Химический состав шлаков |
|
Таблица 1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
|
|
Химический состав, % |
|
|
|
||
пробы |
|
|
|
|
|
|
|
|
MnO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
CaO |
SO3 |
FeO |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
3,00 |
38,10 |
8,54 |
1,46 |
44,50 |
0,46 |
0,68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2,00 |
35,20 |
7,91 |
6,58 |
46,50 |
0,40 |
0,41 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
22. После 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания проч-
ность на сжатие (RсжМ) керамического обыкновенного кирпича составила 12 МПа, а до испытания прочность его на сжатие составляла (Rсжсух) 15 МПа.
Вычислить коэффициент морозостойкости кирпича и установить, выдержал ли он 15 циклов замораживания и оттаивания, если его масса до испытания на морозостойкость (m) составляла 4,2 кг, а после испытания (mМ) уменьшилась до 4,1 кг.
23.Определите насыпную плотность (ρн) и межзерновую пустотность (Пм.з) перлитового и керамзитового песка:
-если масса пустой емкости объемом 1 л составляет 204 г, а заполненной перлитовым песком – 314 г;
-если масса пустого сосуда объемом 1000 см3 – 204 г, а заполненного керамзитовым песком – 626 г;
-если плотность зерен перлитового песка (ρзп) 400 кг/м3; керамзитового песка – 880 кг/м3.
24.Для возведения плотины имеются в наличии следующие материалы: блоки из тяжелого бетона на портландцементе, блоки из тяжелого бетона, изготовленные на гипсовом вяжущем, и блоки из поризованного бетона.
Определите коэффициент размягчения (Кр) и сделайте вывод о пригодности использования данных материалов для возведения плотины.
Предел прочности при сжатии тяжелого бетона в сухом состоянии (Rсжсух) – 42,6 МПа, в водонасыщенном (Rсжвод) – 41,4 МПа. Предел прочности
при сжатии гипсового камня в сухом состоянии – 0,5 МПа, в водонасыщенном – 0,22 МПа. Предел прочности при сжатии поризованного бетона в сухом состоянии – 38,6 МПа, в водонасыщенном – 19,0 МПа.
7
Методические указания к решению задач по разделу 1
1. При определении истинной плотности с помощью объемомера Ле Шателье пользуются формулой
ρ = m ,
V1
где m – масса порошка, засыпаемая в прибор, г;
V1 – объем вытесненной порошком жидкости, см3 (1 см3 = 1 мл). Определив величину ρ и зная среднюю плотность ρm, определяем общую
пористость
Побщ = (1− ρρm ) 100, %.
2.При определении истинной плотности материалов (цемента) с помощью пикнометра пользуются следующей формулой:
ρ = |
(m2 −m1) ρкер |
|
, |
|||
(m |
−m )−(m |
−m |
) |
|||
|
4 |
1 |
3 |
2 |
|
|
где m1 – масса пустого пикнометра, г;
m2 – масса пикнометра с навеской материала, г; m3 – масса пикнометра с навеской и керосином, г; m4 – масса пикнометра с керосином, г.
ρкер – плотность инертной жидкости, в данном случае керосина, г/см3.
3. Средняя плотность образца неправильной формы определяется по формуле
ρ |
m |
= |
|
mс |
, г/см3, |
|
|
||||
|
|
VС+П −VП |
где VС+П – объем образца с парафином на воздухе, см3;
VC+П = (mс +mρп )в −mc+пв ,
где ρв – плотность воды, равная 1 г/см3;
VП – объем парафина, использованного на покрытие образца, см3;
VП = mп .
ρп
8
4. Водопоглощение по объему находится по формуле
ВV =(mнV−mc ) 100, %,
где mс – масса образца в сухом состоянии, г;
mн – масса образца после насыщения водой, г.
Далее определяем среднюю плотность образца ρm = mVс , г/см3.
Вычислив ВV и ρm, находим водопоглощение по массе Вm, используя фор-
мулу
ВV =Вm ρm.
Зная величину истинной плотности ρ и вычислив ρm, определяем общую пористость по формуле
Побщ =(1 − ρρm ) 100, %.
5.Средняя плотность породы составит ρm = mVс ,
где V – объем образца цилиндрической формы, V = π 4d 2 h, см3; Водопоглощение по массе определяется по формуле
Вm =(mнm−mc ) 100, %.
с
Водопоглощение по объему определяется по формуле
ВV =(mнV−mc ) 100, %.
6. Находим объем образца из формулы объемного водопоглощения
ВV =(mнV−mc ) 100, %.
Вычислив V, определяем среднюю плотность ρm = mVс . Общую пористость материала находим из формулы
Побщ =(1− ρρm ) 100,%.
9
7. Средняя плотность образца вычисляется по формуле
|
|
|
|
|
|
|
ρm = |
mс |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
||
где V – объем образца, равный а3. |
|
|
|
|
|||||||
|
|
Общая |
|
пористость |
материала, |
|
определяемая |
по |
формуле |
||
П |
общ |
= (1− |
ρm |
) 100%, |
равна |
сумме открытой и закрытой |
пористости |
||||
|
|||||||||||
|
|
|
ρ |
|
|
|
|
|
|
Побщ = Потк + Пзак. Откуда Пзак = Побщ − Потк.
Открытая пористость соответствует количеству поглощенной образцом воды, т.е. водопоглощению по объему
Потк = ВV =(mнV−mc ) 100, %.
8. Количество воды В, потерянной материалом при сушке,
В= m100в 6,5, г.
Масса сухого образца составляет
mc =mв −m100в 6,5, г.
Масса образца после водонасыщения mн =mс +40, г. Абсолютная влажность материала определяется по формуле
Wабс =(mвm−mc ) 100, %.
с
Водопоглощение по массе материала определяется по формуле
Вm =(mнm−mc ) 100, %.
с
9. Водопоглощение по массе определяют, используя зависимость
Вm =(mнm−mc ) 100,%.
с
Среднюю плотность камня вычисляется из формулы
ВV =Вm ρm.
10