ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
.pdfМіністерство освіти і науки України
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ
ВИПРОБУВАННЯ ДОРОЖНЬО-БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ
ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ
За редакцією професора В.О. Золотарьова
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів будівельних спеціальностей вищих навчальних закладів
Харків 2006
УДК 528.48.625.725
Гриф надано Міністерством освіти і науки України,
лист № 14/18.2-288 від 07.02.06 р.
Автори: Золотарьов В.О., Братчун В.І., Космін О.В., Ткачук Ю.П., Псюрник В.О., Кіреєва Є.Б., Толмачов С.М., Глущенко Н.Ф. (За редакцією Золотарьова В.О.)
Випробування дорожньо-будівельних матеріалів: Лабораторний практикум / Золотарьов В.О., Братчун В.І., Космін О.В. та інш.; за ред. Золотарьова В.О. Навчальний посібник. – Харків: Видавництво ХНАДУ, 2006. – 352 с.
Розглянуто системи та методи оцінки якості будівельних матеріалів, які в основному використовуються у дорожньому будівництві. Це стосується природних кам’яних матеріалів, матеріалів на основі мінеральних та органічних в’яжучих, яким приділена особлива увага. Наводяться відомості про нові матеріали, зокрема бітуми, модифіковані полімерами, емульсії та сучасні методи їх випробувань. Технічні вимоги до матеріалів погоджені з відповідними державними стандартами України.
Призначений для студентів, магістрантів будівельних спеціальностей, може бути корисним для аспірантів та інженерів.
Іл. 86. Табл. 75. Бібліогр. назв. 8.
Рецензенти: В.В. Мозговий, д-р техн. наук, професор, зав. кафедри дорожньо-будівельних матеріалів та хімії (Національний транспортний університет)
В.М.Вировий, д-р тех. наук, професор, зав. кафедри технології будівельних конструкцій і матеріалів (Одеська державна академія будівництва та архітектури)
ISBN 966-303-102-6 |
© Харківський національний |
|
автомобільно-дорожній |
|
університет, 2006. |
2
ПЕРЕДМОВА
Дорожня мережа є важливим фактором підняття соціальноекономічного та геополітичного рівня країни. Обсяги дорожнього будівництва мають неухильно збільшуватись, а категорія доріг зростати з приєднанням української дорожньої мережі до загальноєвропейської. Про це яскраво свідчать перші автомагістралі країни міжнародного класу та плани будівництва міжнародних транспортних коридорів. Введення в дію доріг таких категорій та поступовий рівень зростання категорії внутрішніх доріг приведе до значного збільшення автошляхових перевезень у порівнянні із залізничними. Це є основною тенденцією розвитку транспортного сектора провідних європейських країн, де 82–85% загального обсягу вантажів перевозять автомобільним транспортом.
Такі зрушення можливі за умови забезпечення великої пропускної здатності, гарантованої несучої спроможності та довговічності доріг, тобто при забезпеченні високих значень принципових критеріїв якості доріг.
Одним із головних факторів виконання цієї умови є висока якість дорожньо-будівельних матеріалів. Кожний матеріал в дорожній конструкції виконує особливі, властиві йому функції. Тому якість кожного матеріалу визначається комплексом притаманних лише йому властивостей. Показники якості матеріалів змінюються на кожному історичному етапі розвитку дорожнього одягу і нормуються з врахуванням вимог до якості дорожнього одягу. При цьому, як правило, за звичай приймаються узгоджені значення показників. Сутність компромісу полягає у врахуванні вимог будівників доріг, які мають на меті максимально задовольнити потреби користувачів доріг, та у можливостях промисловості з виробництва дорожньо-будівельних матеріалів.
Своєрідність сучасного етапу розвитку дорожньої галузі є її вихід на європейський рівень, що потребує різкого підвищення
3
якості дорожньо-будівельних матеріалів з одночасним їх подорожчанням. В дуже короткий термін у країні з’явились матеріали, які раніше майже не використовувались: практично нові типи цементобетонів і асфальтобетонів, полімерів та емульсій, нові різновиди в’яжучих та добавки до них, покращені кам’яні матеріали. Якісно новий рівень матеріалів привів до перегляду нормативних документів, зміни вимог до показників якості, розробки нових методів та критеріїв оцінки їх якості.
З урахуванням цього та усвідомленням необхідності формування фахівців європейського рівня у навчальному посібнику відображаено нові тенденції в дорожньому матеріалознавстві, методах та критеріях оцінки якості матеріалів. В той же час за основу оцінки якості матеріалів прийнято класичні, справджені багатолітньою практикою методологічні підходи, що були розвинені у попередніх чотирьох виданнях посібника, створених під керівництвом засновника кафедри дорожньо-будівельних матеріалів Харківського автомобільно-дорожнього інституту проф. М.І.Волкова.
Посібник створено колективом випускників кафедри технології дорожньо-будівельних матеріалів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. У підготовці рукопису брали участь докт. техн. наук, проф. В.О. Золотарьов (загальне редагування та розділи 6, 7); докт. техн. наук, проф. В.І. Братчун (розділи 6.7); канд. техн. наук, проф. О.В. Космін (розділи 2; 3; 5.6; 5.7; 7.5; 7.6; 7.10; 8, 9, 10); канд..техн.наук доц. Ю.П. Ткачук (розділи 1; 7.1…7,4; 7.7…7.9; 7.11); канд. техн. техн. наук, доц. В.О. Псюр-
ник (розділ 6); канд. техн. наук, доц. Є.Б. Кіреєва (розділи 4.1; 5.2, 5.3); канд. техн. наук, доц. С.М. Толмачов (розділи 5.1, 5.4, 5.5); канд. техн. наук, доц. Н.Ф. Глущенко (розділи 4, 5).
Автори висловлюють щиру подяку рецензентам В.В. Мозговому, професору, доктору технічних наук, зав.кафедрою будівельних матеріалів та хімії Національного транспортного університету; В.М. Вировому професору, доктору техн. наук, зав.кафедрою технології будівельних конструкцій і матеріалів Одеської державної академії будівництва та архітектури.
4
РОЗДІЛ 1
ОСНОВИ ОЦІНКИ ЯКОСТІ ДОРОЖНЬО-БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ
1.1. Загальні відомості про контроль якості дорожньо-будівельних матеріалів
Будівельні матеріали – це природні чи штучні матеріали, що використовують для створення будівельних конструкцій та споруд, їх ремонту, захисту від руйнівної дії навколишнього середовища, надання конструкціям та спорудам потрібних ергономічних якостей, декоративних властивостей та архітектурних форм.
Всі матеріали, в тому числі і дорожньо-будівельні, відрізняються один від одного як кольором, формою і т.ін, так і іншими характеристиками. Кожна окремо обрана характеристика матеріалу називається його властивістю (міцність, вологість, колір та ін.). Під якістю дорожньо-будівельних матеріалів розуміють сукупність властивостей, що забезпечують цим матеріалам здатність задовільняти потреби людини при будівництві та експлуатації автомобільних доріг.
Якість матеріалу визначають мірою відповідності його властивостей технічним вимогам, що ураховують особливості інженерної споруди, кліматичні умови та ін. Якість кожного матеріалу оцінюється багатьма властивостями. Як правило, їх поділяють на три групи– фізичні, механічні властивостітахімічні властивості.
Фізичні властивості характеризують стан матеріалу та його відношення до дії різних фізичних факторів природного та штучного походження. До фізичних властивостей також відносять щільність, пористість, теплоємність, термічна стійкість, вогнестійкість та ін.
Механічні властивості визначають здатність матеріалу в конструкції чи споруді чинити опір напруженням та деформаціям, що виникають в них під дією зовнішніх факторів.
Хімічні властивості характеризують здатність матеріалу вступати у хімічну взаємодію зі сполуками, з якими матеріал контактує під час своєї роботи в конструкції чи споруді, та змінювати внаслідок цього свої властивості.
5
Зазвичай в лабораторіях визначають не всі властивості матеріалу, а тільки ті, які зумовлюють його поведінку в конкретних умовах існування (виробництва та експлуатації). Залежно від того, на якому етапі технологічного процесу визначають якість матеріалів, розрізняють три види контролю якості: вхідний, операційний і приймальний. Наприклад, у випадку контролю якості продукції цементобетонного заводу на етапі вхідного контролю визначають якість складових бетонної суміші (щебеню, піску, цементу, води), на етапі операційного контролю – якість технологічних операцій (дозування всіх складових, час перемішування), на етапі приймального контролю визначають якість готової продукції заводу. Якщо контролюють якість влаштування цементобетонного покриття, то на цьому етапі будівництва вхідним контролем є визначення якості бетонної суміші, що поступає з ЦБЗ, операційним контролем є визначення якості виробничих операцій по влаштуванню покриття, приймальним – якість готового покриття.
Перед початком випробувань будь-яких матеріалів у лабораторії намічають програму випробувань з урахуванням тих властивостей матеріалу, які його характеризують з точки зору подальшого використання в конструкції. Згідно з цією програмою відбирають необхідну кількість матеріалу у відповідності з існуючою для кожного матеріалу методикою відбору проб для випробувань.
Залежно від одержаних під час випробувань результатів робиться висновок щодо відповідності властивостей матеріалу діючим нормам і особливостей його використання при будівництві автомобільних доріг.
1.2. Види вимірювань і методи їх оцінки
При лабораторних випробуваннях найчастіше використовують інструментальні методи, які грунтуються на вимірюванні – знаходженні значень фізичних величин за допомогою спеціальних технічних засобів. У будівельних лабораторіях використовують як прямі, так і непрямі вимірювання.
6
Прямими називають вимірювання, результати яких безпосередньо дають значення величини, що вимірюється (наприклад, визначення маси зразка при зважуванні на терезах).
Непрямими називають вимірювання, результат яких визначають на підставі прямих вимірювань величин, пов’язаних з величиною, що вимірюється, відомою залежністю (наприклад, об’єм куба обчислюють після прямого вимірювання величини його ребра).
Результат кожного наступного вимірювання однієї і тієї ж фізичної величини, як правило, не співпадає з попередніми результатами, оскільки на значення результатів впливають помилки вимірювання. Помилки вимірювань виникають через недосконалості засобів вимірювання, недостатньо ретельне проведення вимірів, впливу різноманітних факторів навколишнього середовища (температури, атмосферного тиску під час проведення вимірювань та ін.), суб’єктивних особливостей експериментатора. Помилки поділяють на систематичні і випадкові.
Систематичні – це такі помилки, які при повторних вимірюваннях залишаються постійними або змінюються за відомим законом. Значення цих помилок встановлюють дослідним шляхом та враховують при подальших вимірах (наприклад, при зважуванні зразків на терезах, стрілка яких не встановлена на нульове положення, результат кожного зважування містить в собі систематичну помилку, що дорівнює значенню шкали терезів, на яке показує стрілка при відсутності зразка на терезах).
Випадкові помилки врахувати та визначити експериментально неможливо, оскільки вони не мають постійного значення, виникають при повторних вимірюваннях в результаті дії випадкових факторів (наприклад, якщо під час проведення випробування змінилася напруга в електромережі, повіяв протяг з відкритих дверей лабораторії та ін.). Вплив випадкових помилок на кінцевий результат можна звести до мінімуму шляхом проведення статистичної обробки результатів вимірювання.
Крім того, можливо виникнення грубих помилок. Це такі помилки, які виникають при виході з ладу вимірювального обладнання, при помилках людини, яка проводить виміри, або при помилках в запису результатів випробування. Грубі помилки значно перевищують інші їх види і суттєво змінюють результати вимірювання.
7
1.3.Методика статистичної обробки результатів вимірювання
Визначення дійсного значення величини, що вимірюється
При проведенні статистичної обробки результатів вимірювань перш за все слід виключити із ряду одержаних результатів грубі помилки. Поява таких помилок при проведенні вимірювань цілком ймовірна, і вони можуть перекрутити результати статистичної обробки. Але для цього слід визначити, чи дійсно сумнівні результати відносяться до грубих похибок. Це визначення можливо здійснити за допомогою різних методів: За методикою, викладеною в СТ СЭВ 545-77, методикою з використанням крітерію Романовського, за методикою, наведеною в роботах О.Н. Кассандрової, В.В. Лебедєва, Л.Н. Большева, Н.В. Смирнова, Д.Г. Минурінова, В.А. Семенова та ін. Найбільш простою, але менш точною методикою є відкидання з ряду одержаних результатів тих значень, які відрізняються від середнього арифметичного на величину 3S (або 4S) (S при цьому означає середньоквадратичне відхилення результатів вимірів від середньоарифметичного значення вимірюваної величини). При незначній кількості вимірів (n < 30) (як це звичайно буває в дорожньому будівництві) можливо використовувати для визначення грубих помилок методику, викладену в СТ СЭВ 547-77, в основу якої покладені розробки акад. Н.В. Смирнова. Відповідно до цього методу необхідно визначити значення критеріїв β1 і β2, за якими установлюють наявність грубих похибок
|
|
|
___ |
|
|
|
β = |
Xmax − X |
, |
(1.1) |
|||
|
|
|
||||
1 |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
___ |
|
|
|
|
|
β2 = |
|
X |
− Xmin |
|
, |
(1.2) |
|
|
S |
||||
|
|
|
|
|
||
де Хmax та Хmin – найбільше і найменше значення результатів вимірювань, якщо вони значно відрізняються від інших результатів (тобто сумнівні результати);
__
X – середньоарифметичне значення результатів всіх вимірювань;
8
S – середньоквадратичне відхилення величини, що вимірюється від середньоарифметичного значення
|
n |
___ |
|
|
|
∑(Xi − |
X ) |
|
|
S = |
i=1 |
|
, |
(1.3) |
n −1 |
|
|||
|
|
|
|
|
де Хі – значення кожного окремого вимірювання; n – кількість всіх вимірювань.
Для подальшого аналізу задаються необхідною довірчою ймовірністю результатів вимірювань (надійністю результатів). З урахуванням кількості результатів вимірювань, що підлягають статистичній обробці, та заданої надійності результатів визначають максимально допустиме значення критерію βmax (табл. 1.1).
Таблиця 1.1
Значення критерію βmax залежно від кількості результатів вимірювання та заданої їх надійності
Кількість |
βmax при надійності |
Кількість |
βmax при надійності |
|||||||
вимірю- |
|
результатів Р |
вимірю- |
|
результатів Р |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
вань n |
|
|
|
|
вань n |
|
|
|
|
|
0,90 |
|
0,95 |
0,975 |
0,90 |
|
0,95 |
|
0,975 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
1,15 |
|
1,15 |
1,15 |
11 |
2,09 |
|
2,23 |
|
2,36 |
4 |
1,42 |
|
1,46 |
1,48 |
12 |
2,13 |
|
2,29 |
|
2,41 |
5 |
1,60 |
|
1,67 |
1,72 |
13 |
2,17 |
|
2,33 |
|
2,47 |
6 |
1,73 |
|
1,82 |
1,89 |
15 |
2,25 |
|
2,41 |
|
2,55 |
7 |
1,83 |
|
1,94 |
2,02 |
16 |
2,28 |
|
2,44 |
|
2,58 |
8 |
1,91 |
|
2,03 |
2,13 |
17 |
2,31 |
|
2,48 |
|
2,62 |
9 |
1,98 |
|
2,11 |
2,21 |
18 |
2,34 |
|
2,50 |
|
2,66 |
10 |
2,03 |
|
2,18 |
2,29 |
19 |
2,36 |
|
2,53 |
|
2,68 |
– |
– |
|
– |
– |
20 |
2,38 |
|
2,56 |
|
2,71 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Якщо β1 або β2 > βmax, то значення Хmax або Хmin слід віднести до грубих помилок, їх слід вилучити із статистичного ряду і не
враховувати в подальших розрахунках.
9
Якщо β1 або β2 < βmax, то значення Хmax або Хmin не відносять до грубих похибок, їх враховують при подальшій обробці результатів
вимірювань. Після вилучення грубих помилок визначають нові значення середнього арифметичного результатів вимірювань і середньоквадратичної помилки. При цьому скорочується і кількість вимірювань (на кількість грубих помилок).
В теорії ймовірностей розроблений метод обробки результатів вимірювань при незначній їх кількості (починаючи з двох до тридцяти) на основі розподілу випадкової величини tс (розподілу Стьюдента). Цей метод дозволяє визначити дійсне значення величини, що вимірюється, оскільки за допомогою його встановлюють довірчий інтервал залежно від надійності результату Р і кількості вимірів n.
Для статистичної обробки одержаних результатів вимірювань з використанням розподілу Стьюдента необхідно:
1.Проаналізувати одержаний ряд результатів і виключити з нього грубі помилки. Одержують таким чином новий, очищений статистичний ряд значень фізичної величини при кількості вимірів n.
2.Обчислити середньоарифметичне значення Х для нового одержаного ряду значень величини Х.
3.Обчислити середньоквадратичну похибку результатів вимірювання S за залежністю
|
n |
___ |
|
|
S = |
∑(X I − X )2 |
|
|
|
I =1 |
|
, |
(1.4) |
|
|
n −1 |
|||
|
|
|
|
|
де Хі – кожен із результатів вимірюваної величини;
n– кількість вимірів, що підлягають обробці.
4.Визначити середньоквадратичне відхилення середньоарифметичного значення\
S0 = |
S |
. |
(1.5) |
|
|||
|
n |
|
|
5.За прийнятою надійністю результатів (довірчій ймовірності)
Рі кількості результатів n, які підлягають статистичній обробці, визначити коефіцієнт Стьюдента tc (табл. 1.2).
10