Т.В. Хмеленко Строительные материалы и изделия

10

От твердости материала зависит его истираемость, чем выше твердость, тем меньше истираемость материала.

Истираемость – способность материала уменьшать свою массу и объем при воздействии на материал истирающих усилий. Истираемость ( И ), кг/м2, определяют в по формуле

И = т1 − т2 / F

(2.24)

где m1, m2 – масса образца соответственно до истирания и после, кг;

F – площадь истирания, м2.

Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц и т. п.

Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материала, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы материала в результате проведенного испытания (в % от первоначальной массы).

2.1.3. Примеры решения задач

Задача 1. Определение плотности и пористости Масса образца горной породы, насыщенной водой, равна 42,5 г, а

в сухом состоянии – 40,5 г. Определить среднюю плотность и пористость породы, если истинная плотность ее составляет 2,6 г/см3, объемное водопоглощение – 10,5 %.

Решение.

Водопоглощение массовое можно определить по формуле

Вм = ( тнас. − тсух. ) / Vест. 100% = (42,5 – 40,5) 100 % = 5 %.

Объемное и массовое водопоглощения связаны между собой соот-

ношением Во = Вм ρ	м, отсюда средняя плотность ρ м = Во / Вм =
= 10,5/5 = 2,1 (г/см3).	Пористость определяют по формуле

П = (1 - 2,1/2,6) · 100 % = 20 %.

Задача 2. Определение предела прочности Сухой образец кирпича при испытании на сжатие разрушился при

показании манометра 5 МПа. Определить предел прочности при сжатии кирпича в водонасыщенном состоянии, если известно, что коэффициент

11

размягчения кирпича равен 0,85, а площадь образца в 2 раза больше площади поршня гидравлического пресса.

Решение.

Предел прочности при сжатии образца в водонасыщенном состоянии можно определить из формулы коэффициента размягчения:

К разм. = Rнас. / Rсух.;			Rнас. = Rсух.К разм. Предел прочности об-
разца в сухом состоянии можно определить Rсух. =				Рразр. / Sобр.; раз-
рушающая	нагрузка	равна	Pразр. = Pман.Sпоршня ;	площадь поршня
Sпоршня =	Sобр./ 2 .
Тогда	Pразр. =	5Sобр. / 2 = 2,5Sобр..

Предел прочности образца в сухом состоянии:

Rсух. = Рразр. / Sобр. = 2,5Sобр. / Sобр. = 2,5(МПа);

Rнас. = 2,5 × 0,85 = 2,125 (МПа).

Задача 3. Определение времени релаксации Для увеличения длины каучуковой ленты с 10 до 140 мм необхо-

димо приложить напряжение 8,44 МПа. После выдержки ленты в этом положении в течение 42 суток напряжение снизилось до 4,22 МПа. Определить постоянную времени релаксации и действующее напряжение после выдержки в течение 90 суток.

Решение.
Согласно уравнению релаксации напряжений
lnσ	/ σ	0 = − t / λ ; ln[4,22 / 8,44] = − 42 / λ , откуда λ = 61 сут.
σ 90	=	− 8,44e− 90 / 61 = 1,92 МПа.

2.1.4. Задачи для самостоятельного решения

1. Масса сухого образца камня неправильной формы на воздухе равна 80 г. После нанесения на поверхность камня слоя парафина масса в воде стала равна 37 г. Определить среднюю плотность камня, если на парафинирование образца израсходовано 0,75 г парафина с истинной плотностью 0,9 г/см3.

2. Масса сухого образца из ракушечника равна 300 г. После насыщения его водой масса образца увеличилась до 390 г. Определить пористость, объемное и массовое водопоглощение ракушечника, если ис-

12

тинная плотность его равна 2,40 г/см3, а объем образца составляет 250 см3.

3.Масса образца каменного материала в сухом состоянии составляет 77 г, а после насыщения его водой – 79 г. Требуется определить

среднюю плотность и пористость камня, если известно, что истинная плотность камня равна 2,67 г/см3, а объемное водопоглощение – 4,28 %.

4.Высушенный образец горной породы в виде цилиндра высотой 5 см и диаметром 5 см имеет массу 245 г. После насыщения водой масса его стала 249 г. Определить среднюю плотность камня, объемное и массовое водопоглощение.

5.Масса образца камня в сухом состоянии равна 50 г. Определить

массу образца после насыщения его водой, если известно, что объемное водопоглощение равно 18 %, а средняя плотность камня – 18 г/см3.

6.Масса каменного образца в сухом состоянии равна 70 г. После насыщения его водой она стала 77 г. Определить массовое водопоглощение камня и его среднюю плотность, если объемное водопоглощение этой горной породы составляет 14,3 %.

7.Масса высушенного образца горной породы равна 52 г, а после насыщения образца водой – 57,2 г. Определить пористость породы, ес-

ли известно, что объемное водопоглощение в 1,5 раза больше массового, а истинная плотность горной породы 2,5 г/см3.

8.Камневидный материал в виде образца кубической формы с ребром куба 3 см в воздушно-сухом состоянии имеет массу 19,1 г. Вычислить ориентировочную теплопроводность и определить возможное название материала.

9.Гидравлический пресс имеет измерительные шкалы на 50, 150, 300 т (максимальные нагрузки, развиваемые этим прессом). Подобрать

шкалу для испытания на сжатие бетона в образцах – кубах с ребром 20 см после 28 суток твердения. Проектная марка бетона 400 кг/см2.

10.Прочность на сжатие сухого кирпича 200 кг/см2, а после насыщения водой прочность стала равна 120 кг/см2. При насыщении водой кирпича установлено, что его объемное водопоглощение равно 20 %, а открытая пористость 28 %. Определить, является ли данный кирпич морозостойким и можно ли его применять для изготовления фундаментов стен.

11.Наружная стеновая панель из газобетона имеет размеры

3,1×2,9×0,3 м и весит 2,16 т. Определить пористость газобетона, если известно, что истинная плотность газобетона равна 2,74 г/см3.

13

12. Кузов автомашины, имеющей размеры 2,8×1,8×0,60 м, заполнен на 2/3 своей высоты щебнем. Масса автомашины без щебня 3 тонны, а со щебнем 5,86 тонны. Определить насыпную плотность щебня.

13. Образец камня в сухом состоянии весит 250 г. При погружении образца в градуированный цилиндр с водой он поднял уровень воды на 100 см3. Определить среднюю плотность камня.

14. Масса образца на воздухе составляет 238 г. Масса образца, взвешенного в воде, составляет 143 г. Плотность воды при 20оС равна 1 г/см3. Определить среднюю плотность горной породы.

15. Определить пористость горной породы, если известно, что ее водопоглощение по объему в 1,7 раза больше водопоглощения по массе, а плотность твердого вещества равна 2,6 г/см3.

16. Масса образца камня в сухом состоянии 76 г. После насыщения образца водой его масса увеличилась до 79 г. Определить относительную плотность и пористость камня, если водопоглощение по объему его составляет 8,2 %, а истинная плотность твердого вещества равна

2,68 г/см3.

17. Масса образца камня в сухом состоянии 50 г. Определить массу образца после насыщения его водой, а также относительную плотность твердого вещества камня, если известно, что водонасыщение по объему равно 18 %, а пористость камня 25 %. Истинная плотность камня равна 1800 кг/м3.

18. При работе в лаборатории получили следующие данные. Пикнометр с навеской измельченной извести весил 34,3 г, а пустой - 24,1 г. Когда в пикнометр с известью влили керосин до метки, то его масса стала равна 74,17 г, масса пикнометра с керосином без навески 66,6 г. Определить истинную плотность извести при условии, что пикнометр с водой весит 74,2 г.

19. При определении коэффициента теплопроводности строительного материала в приборе установились следующие постоянные температуры на поверхности образца: 100 и 20оС. Вычислить коэффициент теплопроводности, если площадь образца 0,25 м2, толщина 5 см. Испытание продолжалось 1 час, в течение которого на нагревание было затачано 180 ккал тепла.

20. Во сколько раз пористость камня А отличается от пористости камня Б, если известно , что плотность твердого вещества обоих камней одинакова и равна 2,72 г/см3, но относительная плотность камня А на

14

20 % больше, чем камня Б, у которого водопоглощение по объему в 1,8 раза больше водопоглощения по массе?

21. Навеска тонко измельченного кварца равна 9,7 г. Масса пикнометра с водой 72,5 г, с навеской и водой 78,55 г, без воды – 22,5 г. Определить истинную плотность кварца.

22.Масса образца на воздухе составляет 238 г. Масса образца, взвешенного в воде, составляет 143 г. Плотность воды при 20оС считать равной 1 г/см3. Определить среднюю плотность горной породы.

23.Образец камня неправильной формы имел массу на воздухе 80 г (в сухом состоянии). После покрытия поверхности образца пара-

фином его масса в воде составила 37 г. На парафинирование образца израсходовано 0,75 г парафина с истинной плотностью 0,9 г/см3. Вы-

числить среднюю плотность камня. Плотность воды принять равной

1г/см3.

24.Определить коэффициент размягчения камня, если при испытании образца в сухом состоянии на сжатие максимальное показание манометра пресса было равно 38,8 МПа, тогда как такой же образец в водонасыщенном состоянии показал на манометре 34,1 МПа.

25.Камневидный материал в виде образца кубической формы, ребро которого равно 6,5 см, в воздушно-сухом состоянии имеет массу 495 г. Определить коэффициент теплопроводности (ориентировочный) и возможное наименование материала.

26.Сухой образец известняка при испытании на сопротивление сжатию разрушился при показании манометра 100 МПа. Определить предел прочности при сжатии образца в насыщенном водой состоянии, если известно, что коэффициент размягчения равен 0,6, а площадь образца в 2 раза больше площади поршня гидравлического пресса.

27.При стандартном испытании красного обыкновенного кирпича на изгиб оказалось, что его предел прочности равен 3,53 МПа. Определите, какое показание манометра пресса соответствует этому напряжению, если диаметр поршня у пресса был равен 9 см.

28.После полной разгрузки образца, находящегося под воздейст-

вием механического пресса, деформация его осталась неизменной, а напряжение понижалось по манометру с 250 до 114 кг/см2. На какую величину еще должно снизиться напряжение, чтобы можно было определить время релаксации материала?

29.Масса образца горной породы, насыщенного водой, равна 42,5 г, а в сухом состоянии – 40,5 г. Определить среднюю плотность и

15

пористость породы, если истинная плотность ее составляет 2,6 г/см3, объемное водопоглощение - 10,5 %. Решить также вопрос о возможном наименовании горной породы.

30. Масса сухого образца из ракушечника равна 300 г. После насыщения его водой масса образца увеличилась до 390 г. Найти пористость, объемное и массовое водопоглощение ракушечника, если истинная плотность его равна 2,4 г/см3, а объем образца составляет 250 см3.

31. Масса высушенного образца горной породы равна 52 г, а после насыщения образца водой – 57,2 г. Определить пористость породы, если известно, что объемное водопоглощение в 1,5 раза больше массового, а истинная плотность горной породы 2,5 г/см3.

32.Камневидный материал в виде образца кубической формы с ребром куба 3 см в воздушно-сухом состоянии имеет массу 19,1 г. Вычислить ориентировочную теплопроводность и определить возможное название материала.

33.Масса каменного образца в сухом состоянии равна 50 г. После насыщения образца водой она стала 55 г. Определить водопоглощение камня по массе и его среднюю плотность, если известно, что объемное водопоглощение камня равно 18 %.

34.Масса зерна туфового щебня в сухом состоянии – 100 г. После покрытия этого зерна парафином с истинной плотностью 0,9 г/см3 масса его при гидростатическом взвешивании (в воде) составила 46 г. Определить среднюю плотность туфа, если известно, что на парафинирование израсходовано 1,17 г парафина.

35.Известно, что образец в виде куба из тяжелого бетона массой 8,1 кг характеризуется открытой пористостью 3,19 % и водопоглощением по массе – 1,33 %. Каковы размеры этого образца?

36.Определить для зерна керамзита объем открытых пор, недоступных для свободного (без избыточного давления) проникновения в них воды, если известно, что закрытая пористость его составляет 4,6 %, коэффициент плотности – 0,4, а водопоглощение по массе равно 0,19.

37.Определить в плотном известняке процентное содержание открытых пор, недоступных для свободного проникания в них воды, если известно, что этот известняк характеризуется следующими показателями: закрытая пористость – 1,18 %, коэффициент плотности – 0,92, а водопоглощение по объему превышает в числовом выражении водопоглощение по массе в 1,26 раз.

16

38.Образец пемзы характеризуется следующими показателями: истинная плотность – 2,5 г/см3, водопоглощение по объему – 32 %, водопоглощение по массе – 80 %. Установить в этом образце открытую и закрытую пористости.

39.Образец строительного раствора с размерами 70×70×70 мм и массой 0,67 кг характеризуется истинной плотностью 2,6 г/см3, водопоглощением по массе – 5,13 %. Определить закрытую пористость этого образца.

40.Керамический полнотелый кирпич с размерами 250×120×65 мм

характеризуется в воздушно-сухом состоянии средней плотностью 1795 кг/м3 и влажностью по массе 5,4 %. Какова будет влажность этого кирпича в водонасыщенном состоянии, если известно, что масса его при этом составит 3,685 кг?

41.Определить для зерна керамзита водопоглощение по массе и

суммарную пористость, если известно, что истинная плотность керамзита составляет 2,63 г/см3, водопоглощение по массе 22 % и коэффициент плотности – 0,4.

42. Зерно керамзита характеризуется истинной плотностью 2,61 г/см3, открытой пористостью – 55,4 %, водопоглощением по объему – 11,4 % и водопоглощением по массе – 52,85. Определить для этого зерна керамзита пористость закрытую, недоступную для свободного проникания воды.

43. Керамический полнотелый кирпич с размером 250×120×65 мм характеризуется водопоглощением по массе и по объему соответственно 12,0 и 21,6 %. Определить истинную плотность кирпича, если коэффициент плотности его равен 0,68.

2.2. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамическими материалами называются материалы и изделия, полученные в результате обжига глины.

2.2.1. Сырье для производства керамических материалов

Сырьем для производства керамических материалов служат глинистые горные породы: каолинит, монтмориллонит, слюда, гидрослюда и другие. В состав глин входят оксиды алюминия, кремнезема, железа, кальция, натрия, калия, магния, свободная и химически связанная вода, а также органические примеси. Наиболее часто в производстве керами-

17

ки используют каолинит, состоящий из водного алюмосиликата Al2O3 2SiO22H2O. В глинах, кроме алюмосиликатов, могут быть примеси, которые изменяют свойства сырья и получаемых материалов. Примеси оксида железа снижают температуру спекания глин и окрашивают их в бурый цвет; оксид кальция и гипс понижают огнеупорность, увеличивают усадку, снижают прочность; присутствие щелочей ухудшают формовочные свойства, снижают огнеупорность, на изделиях появляются высолы; органические примеси увеличивают пористость черепка.

Глина характеризуется определенным комплексом свойств: гранулометрическим составом, пластичностью, воздушной усадкой, огнеупорностью и др.

Гранулометрические составы глин различных типов резко различаются. К истинно глинистым частицам можно отнести частицы с размером менее 0,005 мм. Чем больше истинно глинистых частиц в сырье, тем выше пластичность и огнеупорность глин. Частицы размером от 0,005 до 0,14 мм относятся к пылеватым, а более грубые частицы классифицируют как включения в глинистое сырье.

Важным свойством глин является их пластичность. Под пластичностью глин понимают их способность давать при затворении водой тесто, которое может принимать под влиянием внешних усилий любую форму и сохранять ее. Пластичность глин определяется числом пластичности (П), которое представляет собой разность между абсолютными влажностями глин, соответствующими ее нижней границе текучести, и пределом раскатывания глины в жгут. Глинистые минералы разделяют на высокопластичные (П более 25 %), среднепластичные (П от 15 до 25 %), умеренно-пластичные (П от 7 до 15 %), малопластичные (П менее 7 %) и непластичные (не дающие пластичного теста). На пластичность оказывают влияние гранулометрический состав и наличие примесей. Чем выше дисперсность глин и меньше различных включений, тем выше их пластичность. Повысить пластичность глин можно механическим разминанием и введением поверхностноактивных пластифицирующих добавок.

Воздушной усадкой глин называется изменение линейных размеров, которое претерпевает свежесформованный образец под влиянием процессов, сопровождающих сушку. Усадочные деформации обусловливаются силами капиллярного давления. Эти силы стягивают частицы глины по мере удаления из них воды. Относительная воздушная усадка

18

глин колеблется в пределах 2–15 %. Запесоченность глин снижает усадку. Наиболее пластичные глины обладают большей усадкой.

Огнеупорностью называется свойство керамических материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. В зависимости от огнеупорности глины разделяются на огнеупорные (огнеупорность выше 1580оС); тугоплавкие (1580–1350оС) и легкоплавкие (ниже 1350оС). За огнеупорность глин условно принимают температуру, при которой стандартный образец – трехгранная усеченная пирамида из испытуемого материала – настолько размягчается, что его вершина наклоняется и слегка касается подставки, на которой он установлен. Огнеупорность глин зависит от гранулометрического состава, различных примесей и минералогического состава. Чистые монтмориллонитовые глины с содержанием до 90 % истинно глинистых частиц обладают наибольшей огнеупорностью.

Под огневой усадкой понимают изменение линейных размеров, которое претерпевает воздушно-сухой образец под влиянием физикохимических процессов, сопровождающих обжиг.

2.2.2. Добавки, применяемые в керамической технологии

В керамической технологии используют следующие виды добавок: отощающие, выгорающие, флюсующие (плавни), пластифицирующие и др.

Отощающие добавки вводят в исходное сырье с целью снижения его пластичности и воздушной усадки. Отощающие добавки делят на естественные и искусственные. К искусственным отощающим материалам относят главным образом шамот, получаемый путем предварительного обжига глины, а также топливные и доменные шлаки и золы. К природным естественным отощающим материалам относят непластичные глины, кварцевый песок, жильный кварц, кварциты и другие. Кварцевые материалы являются одним из лучших природных отощителей, уменьшающих пластичность глиносодержащих масс и снижающих их воздушную и огневую усадку. Чаще всего в качестве отощающей добавки применяют пески.

Выгорающие добавки вводят в керамическое сырье с целью снижения средней плотности материала и повышения пористости. В качестве выгорающих добавок используют любые органические вещества, которые в процессе обжига выгорают и поризуют керамический чере-

19

пок. Выгорающими добавками могут служить тонко измельченные уголь, торф, опилки, кора и другие органические материалы.

Плавни используют для снижения температуры спекания сырьевой смеси. К плавням относят такие материалы, которые при обжиге изделий вступают во взаимодействие с сырьевыми материалами шихты, давая легкоплавкие соединения. Образующаяся в обжиге жидкая фаза способствует спеканию материала, сближению частиц твердой фазы и срастанию их. Все виды плавней можно разбить на две основные группы:

а) собственно плавни, т.е. вещества, флюсующее действие которых обусловливается низкой температурой их плавления. Типичными представителями этой группы плавней являются полевые шпаты, пегматиты, нефелиновые сиениты, сподумены и другие;

б) материалы с высокой температурой плавления, но дающие при взаимодействии с компонентами керамической массы в процессе нагревания легкоплавкие соединения. К ним относят мел, доломит, магнезит, причем почти все материалы второй группы самостоятельно могут служить сырьем в производстве огнеупорных изделий.

В качестве пластифицирующих добавок к керамическому сырью могут использоваться органические поверхностно-активные гидрофильные материалы, например: щелочной сток производства капролактама (ЩСПК), лигносульфонаты технические (ЛСТ), мелассная упаренная последрожжевая барда (УПБ) и другие.

2.2.3. Технология производства керамических материалов

Технология производства керамических материалов включает в себя следующие основные операции.

Д о б ы ч а г л и н ы. Заводы по изготовлению керамических материалов строят около месторождений глин, поэтому глиняные карьеры являются неотъемлемой частью этих заводов. Глины залегают обычно неглубоко. Слой, покрывающий глину – “вскрышу”, удаляют скреперами, бульдозерами, экскаваторами. Глину добывают многоковшовыми экскаваторами или одноковшовым экскаватором с вместимостью ковша до 10 м3. Доставляется глина на завод по узкоколейным рельсовым путям, канатной подвесной дорогой или самосвалами грузоподъемностью от 2 до 60 т и хранится в глинохранилищах различной емкостью.