строймат метода

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения

специальности 270106 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций

Екатеринбург

2005

УДК 621.8

Составители: Ф.Л. Капустин, А.М. Спиридонова, В.Л. Жулидов, В.Б. Ежов

Научный редактор: проф., д-р техн. наук И.С. Семериков

СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ: Методиче-

ские указания к лабораторным работам / Ф.Л. Капустин, А.М. Спиридонова, В.Л. Жулидов, В.Б. Ежов. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2005. – 35 с.

Методические указания предназначены для проведения учебных лабораторных занятий по дисциплине «Материаловедение». В них рассмотрены методы определения основных физических, гидрофизических и механических свойств строительных материалов, характеристики макроструктур раз-личных их групп, а также порядок и методика выполнения студентами лабораторных работ, требования к объему, содержанию и последовательности составления отчетов по ним.

Табл. 17. Рис. 5.

Подготовлено кафедрой «Материаловедение в строительстве».

©ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2004

©Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М., Жулидов В.Л., Ежов В.Б., 2005

2

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ	4
Лабораторная работа № 2
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ	15
Лабораторная работа № 3
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КАМЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ	19
Лабораторная работа № 4
МАКРОСТРУКТУРА
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ	25
ЛИТЕРАТУРА	27
ПРИЛОЖЕНИЕ	28

3

Лабораторная работа № 1

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Строительные материалы и изделия обладают следующими физическими свойствами: истинная, средняя и насыпная плотность, пористость, пустоность, дисперсность (удельная поверхность, тонкость помола, зерновой состав).

1. Истинная плотность природных и искусственных материалов

Истинная плотность – масса вещества, содержащаяся в единице объема без внутренних пор и пустот (в абсолютно плотном состоянии). Ее вычисляют по формуле:

с = m	,	(1)
v

где ρ – истинная плотность материала, г/см3, кг/м3; m – масса сухого образца, г, кг; v – объем образца, см3, м3.

Численное значение плотности зависит от химического состава, кристаллического строения и вида строительного материала и изделия (табл. 1).

Таблица 1

Плотность и пористость некоторых материалов и изделий, применяемых в строительстве

		Плотность, кг/м3			Порис-
Материал,			Насыпная		тость
			в состоянии		(пус-
изделие	Истин-	Средняя		уплот-	тот-
	ная		рыхлом		ность),
				ненном	%
1	2	3	4	5	6
Алюминий	2600	2600	-	-	0
Асбестоцемент	2500	1600-	-	-	20-35
Асфальтобетон	2600	2000	-	-	10-20
Базальт	3300	2100-	-	-	3-18
Бетон:		2200	-	-	65-90
- ячеистый	2800	2700-
- легкий	2600	3200	-	-	30-70
		4

- крупнопористый	2600		-	-	25-40
- тяжелый (обычный)	2600	300-1000	-	-	5-20
Гипсовый камень	2300	600-1800	1300-1600	-	30-45
Гипс строительный	2650	1600-	800-1100	1250-1450	(45-70)
Гипсовые изделия	2300	1900	-	-	35-55
Гравий керамзитовый	2600	2100-	250-600	300-900	65-90
		2500
		-
		-
		1000-
		1450
		800-1200
Гравий природный	2600	-	900-1300	1200-1800	(30-65)
Древесина:	1650	700-900	-	-
- дуб					45-55
- сосна	1600	500-600	-	-	60-70
- опилки	1600	-	200-300	300-450	70-87
Зола ТЭС	2850	1740-	600-1300	-	(45-65)
Известняк:	2700	2400	-	-
- ракушечник					25-60
- тяжелый	2600	900-2000	-	-	20-40
Известь:		1600-
- комовая		2100	900-1200
- молотая				500-700
- кипелка	2050		400-500		(65-80)
Кирпич глиняный:		-	-	-
- обыкновенный	2700				30-40
- пустотелый	2700		-	-	45-50
- пористый	2700	1600-	-	-	50-80
Кирпич силикатный	2600	1900	-	-	15-30
Кирпич трепельный	2700	1300-	-	-	50-70
Мрамор	2900	1450	-	-	3-10
Микрокремнезем	2650	600-1400	150-200	-	(92-95)
Песок кварцевый	2650	1800-	1500-	1700-1900	(28-43)
Песок речной	2600	2000	1700	1500-1700	(35-45)
Песчаник	2600	700-1300	1400-1500	-	10-30
Пеностекло	2600	2600-	-	-	80-90
Плиты		2800	-	-
минераловатные	2400	-			90-93
Пенополистирол	1500	-	-	-	93-97
Вата:		-	-	-
- стеклянная	2700	1800-			(92-94)
- шлаковая	3300	2400	-	-	(88-94)
Портландцемент	3100	150-500	-	1500-1900	(40-70)
		5

Раствор цементный:	2800	150-250	900-1300	-	35-45
- песчаный
- шлаковый	2600	40-100	-	-	45-55
Сталь	7850		-	-	0
Стекло	2600	150-200	-	-	2
Туф	2800	200-400	-	-	20-60
Чугун	7250	-	-	-	0
Шлак гранулирован.	3300		-	500-700	80-90
Щебень гранитный	2900	1600-	300-600	1400-1600	(40-54)
Вода	1000	1800	1300-1500	-	0
		1200-	-
		1400
		7850
		2550
		1200-
		2300
		7250
		-
		2500-
		2850
		1000

1.1. Истинную плотность непористых материалов определяют измерением их массы и объема в сухом состоянии. Масса сухого образца определяется взвешиванием на технических весах с точностью до 0,01 г. Объем образца правильных геометрических форм (пластина, лист, куб, шар и другие) вычисляют по результатам измерений его габаритных размеров линейкой, штангенциркулем или микрометром с точностью до 0,01 мм. Объем образцов не-правильной произвольной формы определяют по результатам гидростатического взвешивания.

1.2. Определение истинной плотности материала при помощи пикнометра. Большинство природных и искусcтвенных материалов являются пористы-

ми. Для получения объема этих материалов в “абсолютно плотном состоянии” их измельчают в тонкий порошок, т. е. ликвидируют поры. Измельченный и высушенный при 105 ºС материал просеивают через сито с размером отверстий 0,2 мм (900 отв./см2). Определение истинной плотности таких порошков сводится к нахождению объема жидкости, вытесненной известной массой порошка испытуемого материала из сосуда определенного объема, к которому относятся колба Ле Шателье-Кандло и пикнометр.

Пикнометр представляет собой стеклянный сосуд объемом 10, 25 или 50 см3 (рис. 1). На длинной его шейке нанесена риска, отмечающая объем. Если обозначить m1 – массу исследуемой пробы материала (5 или 10 г) , m2 – массу пикнометра с жидкостью, залитой до риски, m3 – массу пикнометра, заполненного навеской материала и жидкостью, залитой до риски, m4 – массу вытеснен-

6

ной материалом жидкости, ρж – плотность жидкости, то из рисунка 1 очевидно равенство:

m3	+ m4 = m1 + m2.	(2)
При этом масса вытесненной жидкости составит:
m4	= m1 + m2 – m3.	(3)

	Рис. 1. Схема пикнометра: а – с водой; б – с материалом и водой.
Объем исследуемой пробы вычисляют по формуле:
	V =		m1 + m2 −m3		.		(4)
			сж

Плотность исследуемых материалов определяют:

с= mV1 = m1 + m2 −m3 . (5)

Вкачестве жидкостей применяют чаще всего воду (ρв = 1 г/см3), а в случае

химического взаимодействия ее с материалом используют керосин (ρк = 0,785 г/см3) или толуол (ρт = 0,864 г/см3). Применяют жидкости и порошки, имеющие постоянную температуру, равную температуре воздуха в помещении. Обычно температуру жидкости измеряют термометром и по ней определяют плотность жидкости.

Порядок работы с пикнометрами следующий:

1. Пикнометры вынимают из термостата, обтирают снаружи досуха мягкой тканью. Затем доводят уровень жидкости в пикнометре до риски, а его горлышко тщательно протирают полосками фильтровальной бумаги. Затем пикнометр

взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,001 г и полученное значение записывают в таблицу 2 (значение m2).m1.сж

7

2.После взвешивания пикнометр на 3/4 освобождают от жидкости путем встряхивания, затем горлышко на всю длину высушивают полосками фильтровальной бумаги и засыпают в него 5 или 10 г испытуемого материала, взвешен-

ного на аналитических весах (m1). Пикнометры с заполненным материалом помещают в вакуум-камеру для удаления пузырьков адсорбированного воздуха. Их вакуумирование проводят в течение 30 мин на вакуумной установке. Затем пикнометры вынимают из вакуум-камеры и заполняют их жидкостью до метки.

3.Пикнометр с навеской и жидкостью взвешивают на аналитических весах

(m3).

4. Расчет истинной плотности ведут по формуле (5). Среднее значение плотности рассчитывают с точностью до ± 0,001 г/см3. Результаты измерений вносят в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты определения истинной плотности материала пикнометрическим способом

		Плотность		Масса	Масса	Масса	Плот-
					пикно-	пик-	ность
№	Материал	жидкости,		пробы,
		г/см	3	г	метра с	нометра с	пробы,
					водой, г	пробой, г	г/см3
1		ρж		m1	m2	m3	ρ

2. Средняя плотность различных материалов

Средняя плотность – это масса единицы объема материала в естественном состоянии вместе с порами и пустотами.

В отличие от истинной средняя плотность различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах из-за наличия пор и пустот, содержание которых в них может достигать 90 % от всего объема. Например, при истинной плотности кварца 2650 кг/м3 средняя плотность силикатной ваты (стекловата, шлаковата) может составить 100 кг/м3. Таким образом, сред-няя плотность материалов всегда меньше их истинной плотности (табл. 1). Только для абсолютно плотных материалов (стекло, сталь, битум и другие) величины средней и истинной плотности совпадают.

Определение средней плотности монолитных материалов заключается во взвешивании испытуемого образца в сухом состоянии и определении его объема. Если испытуемый образец строительного материала имеет правильные геометрические очертания, то объем его вычисляют по результатам замера размеров линейкой, штангенциркулем или микрометром. В случае, если образец име-

8

ет неправильную произвольную форму, то его объем определяют с помощью упрощенного объемомера или гидростатическим взвешиванием.

Упрощенный объемомер – это металлический цилиндр со сливной коленчатой трубкой (рис. 2). Объемомер наполняют водой комнатной температуры выше сливной трубки. После того как лишняя вода вытечет через сливную трубку и прекратится падение капель, под нее ставят предварительно взвешенный стакан.

Рис. 2. Схема упрощенного объемомера

Определение средней плотности производится на образцах размером 40-70 мм общей массой в сухом состоянии не менее 300 г, так как при меньшей массе недопустимо снижается точность измерения общего объема материала. На точность определения объема также большое влияние оказывает пористость материала, так как некоторая часть воды при его погружении в нее может впитываться в поры образцов. Чтобы устранить впитывание воды в поры материала, поверхность его необходимо предварительно насытить водой. Для этого образец погружают в воду на 2 часа, чтобы уровень ее в сосуде был выше верха образца не более чем на 2 см. Насыщенный образец вынимают из воды, удаляют воду с его поверхности влажной тканью и сразу же осторожно погружают в объемомер. При этом вода, вытесненная образцом, будет стекать по сливной трубке в стакан. После прекращения падения капель стакан с водой взвешивают и вычисляют массу воды, вычитая из массы стакана с водой массу сухого стакана. Масса вытесненной воды соответствует объему образца.

Среднюю плотность материала (γ) вычисляют по формуле:

	m	3
г =		, кг/м ,	(6)
	V
	е

где m – масса сухого образца, кг; Vе – объем образца материала, м3. Результаты измерения средней плотности различных строительных мате-

риалов вносят в таблицу 3.

9

Таблица 3 Результаты определения средней плотности строительных материалов

		Геометрическая форма образца
Показатели		Правильная			Неправильная
			Дре-	Пено-	Щебень	Песок
образца		Кир-
	Сталь			по-
		пич	ве-	листи-	гранит-	кварце-
			сина		ный	вый
				рол
Масса (m), кг
Размеры, мм:
- длина
- ширина
- высота
Объем (Vе), м3
Средняя плот-
ность (γ), кг/м3
Пористость
(П), об. %

3. Насыпная плотность сыпучих материалов

Насыпную плотность сыпучих материалов (песок, щебень, гравий, цемент, гипс строительный, известь пушонка, асбест, зола ТЭС, доменный гранулированный шлак и другие), высушенных до постоянной массы, определяют без вычета пустот между их частицами или волокнами в рыхлом, а иногда и в уплотненном под определенной нагрузкой состоянии.

Определение насыпной плотности сыпучих материалов производят засыпкой их в предварительно взвешенный мерный цилиндр с высоты 10 см через воронку или без нее (рис. 3). Объем материала принимают по объему цилиндра, который выбирают в зависимости от размера его зерен (фракции) (табл. 4). Воронка обеспечивает равномерное заполнение мерного цилиндра материалом. Образовавшуюся (без уплотнения) над краями цилиндра горку материала срезают ножом или линейкой, поставленными на ребро вертикально, без уплотнения. После этого цилиндр с материалом взвешивают.

10