Основные физико – механические свойства материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ 

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

«БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Строительное материаловедение и технологии»

Лабораторная работа:

Строительные  материалы

 

 

«Основные физико – механические свойства материалов»

Отчет

 

 

 

 

 

 

Выполнил:            ст. гр. ЭУНз-12       А.С. Мочалова

 

Проверил:           к.т.н., доцент       В.В. Русина

 

 

 

 

Братск 2013

Лабораторная  работа №1

Основные физико – механические свойства материалов

 

Цель работы: определить основные физико-механические свойства строительных материалов и условия их рационального применения.

Материалы и оборудование:

1. Образцы строительных материалов.
2. Пикнометр.
3. Весы электронные.
4. Весы гидростатические.
5. Вакуум-шкаф.
6. Стеклянный стакан 150...250 мм.
7. Сушильный шкаф.
8. Агатовая или фарфоровая ступка.
9. Стеклянная воронка.
10. Гидравлический пресс.
11. Копер Педжа.

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Для того чтобы правильно  применять в строительстве тот  или иной материал, необходимо знать его основные свойства и учитывать условия, в которых он будет работать в строительной конструкции.

Различают следующие основные группы свойств, присущих всем материалам: физические, физико-химические, механические и химические свойства.

Физические свойства- характеризуют какую-либо особенность физического состояния (например, истинную или среднюю плотность, пористость) или отношение материала к различным физическим процессам (например, к физическому влиянию воды, прохождению тепла, звука, газа).

Физико-химические свойства- характеризуют влияние физического состояния материала на протекание определенных химических процессов (например, степень дисперсности материала, влияющая на кинетику химической реакции).

Механические свойства- определяют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, жесткость, упругость, твердость, стойкость к истиранию и износу.

Химические свойства- характеризуют способность материала к химическим превращениям или стойкость к влиянию веществ, с которыми данный материал находится в соприкосновении (например, кислотостойкость, щелочестойкость).

Порядок выполнения работы

1. Определение физических свойств  материалов

При испытании искусственных  и природных каменных материалов определяют следующие физические свойства: истинную плотность, среднюю плотность, пористость, водопоглощение, влажность, морозостойкость.

1.1. Определение плотностей

Определение истинной плотности

Истинная плотность  материала – масса единицы  объёма вещества в абсолютно плотном  состоянии (без пор). Истинная плотность  вещества определяется по формуле

r_и

 

 

где m-масса сухого (высушенного до постоянной массы при 100...110°С) материала в абсолютно плотном состоянии, кг (г);

Va - объём материала без пор и пустот, м3 (см3).

Для проведения испытания  используют пикнометрический способ. Просеянный через сито №0125 порошок высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 100...110°С, а затем охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры. Указанная предварительная подготовка осуществляется лаборантами. От подготовленной пробы, предварительно измельченной, отвешивают на электронных весах 3...5 г (m1) материала и всыпают ложечкой через воронку в пикнометр известной массы, затем аккуратно добавляют жидкость (воду) до тех пор, пока объем жидкости не заполнит широкую часть колбы. Для удаления воздуха необходимо энергично повернуть 2...3 раза пикнометр вокруг вертикальной оси и поставить в вакуум-шкаф на 15...20 мин. Операция вакуумирования предназначена для более полного удаления воздуха из микропор и микрощелей материала.

После выдержки в вакуум-шкафу в пикнометр добавляют жидкость до риски и взвешивают на электронных весах (m3) Затем пикнометр освобождают от содержимого, тщательно промывают, подсушивают в сушильном шкафу и заполняют жидкостью до риски, после чего взвешивают на электронных весах(m2).

Истинную плотность r_u, кг/м3(г/см3), материала вычисляют по формуле

 

r_и                            

 

где r_ж - плотность жидкости (рекомендуется применять жидкость инертную по отношению к материалу). В качестве жидкости могут быть использованы дистиллированная вода (ρ_в = 1,0 г/см3), керосин (ρ_к = 0,80 г/см3), бензин (ρ_б = 0,71 г/см3).

Решение:

m₁=4,45гр

m₂=141,95гр

m₃=144,75гр

r_ж=1,0 г/см3

r_ж=

 

Определение средней плотности

 Средняя плотность материала - масса единицы объема вещества в естественном состоянии(с порами). Средняя плотность образца определяется по формуле

 

r_m                                             

 

где m – масса сухого (высушенного до постоянной массы при 100...110 °С) материала в естественном состоянии, кг(г);

Vе – объем материала с порами и пустотами, м3 (см3).

Определение средней плотности  образца правильной геометрической формы

 Объем образца правильной геометрической формы определяют путем измерения его линейных размеров и вычисления объема.

Объем образца (см3), имеющего форму куба или параллелепипеда, определяют по формуле

 

 

 

где а_ср, b_ср, h_ср – средние значения размеров граней образца, (см).

Зная объем и массу  образца, по формуле (1.3) определяют его среднюю плотность как среднее арифметическое трех ее значений различных образцов.

Решение:

а_ср=2см³

b_ср=2см³

h_ср=2,1см³

m=16,45гр

 

 

=2*2*2,1=8,4см³

r_m=16,45:8,4=1,95 гр/см³=1950кг/м³

Определение средней плотности образца неправильной

геометрической  формы

Данный метод основан на вытеснении образцом из сосуда жидкости, в которую его погружают, для чего используют гидростатические весы. Высушенный пористый образец неправильной формы взвешивают на электронных весах (m),затем парафинируют (либо погружают в расплавленный парафин предварительно закрепив нитью, либо кисточкой покрывают тонким слоем парафина). Парафинированный образец взвешивают сначала на воздухе (m1), затем в воде на гидростатических весах(m2).

Среднюю плотность образца  неправильной формы rm вычисляют по формуле

 

                          

 

где (m₁—m₂)/r_в – величина, соответствующая объему образца, покрытого парафином, м³ (см³) (по закону Архимеда);r_в – плотность воды, кг/м³ (г/см³); (m₁—m)/r_п - величина, соответствующая объему парафина, израсходованного на покрытие образца, м³ (см³); r_п - плотность парафина, равная 0,93 г/см³

Решение:

m=9,6гр

m₁=10,75гр

m₂=5,2гр

r_в=1гр/см³

r_п=0,93гр/см³

 

 

Определение насыпной плотности сыпучих материалов.

Насыпная плотность  – масса единицы объема материала в рыхлонасыпном состоянии.

Для определения насыпной плотности используют мерный цилиндр, объем которого зависит от крупности зерен сыпучего материала – чем выше наибольшая крупность зерен, тем больше объем цилиндра. В частности, объем мерного цилиндра для песка должен быть 1 л, для щебня (гравия) – 5...50 л. Сыпучий материал насыпают совком с высоты 10 см в предварительно взвешенный мерный цилиндр до образования конуса над краями цилиндра. Излишек материала срезают металлической линейкой вровень с краями, цилиндр с сыпучим материалом взвешивают.

Определение насыпной плотности r_н производят по формуле

 

 

 

где m₁ – масса цилиндра без материала, г(кг);

m₂ – масса цилиндра с материалом, г(кг); V – объем цилиндра, см³ (м³).

 

Решение:

m₁=295 гр = 0,295 кг

m₂=3 кг

V=2 л =2000 м³

 

1.2. Определение пористости

Пористостью материала (П) называют степень заполнения его объема порами. Пористость определяют по формуле

 

 

 

где П – пористость материала, %;

r_m – средняя плотность материала, г/см3 (кг/м3);

r_u – истинная плотность материала, г/см3 (кг/м3).

Решение:

r_m=1950кг/м³

r_u=2690 кг/м³

 

П=

 

Значения пористости строительных материалов различны и варьируются в очень широких пределах: от 0 (стекло, сталь) до 90...95 % (поропласты, минераловатные плиты).

Важнейшие эксплуатационные свойства материалов: средняя плотность, водопоглощение, водопроницаемость, теплопроводность, морозостойкость и др. – зависят от степени и характера пористости. Например, теплоизоляционные конструкции необходимо изготовлять из материалов с большим объемом мелкой закрытой пористости.

Полученные результаты заносятся  в таблицу, форма которой представлена ниже (форма табл. 1.1).

 

 

Форма таблицы 1.1

Результаты оценки параметров состояния  материала

Наименование материала	Средняя плотность образца, кг/м3		Истенная плотность, кг/м3	Пористость, %	Теплопроводность, Вт/м°С
	Правельной формы	Неправельной формы
Кубик из цементно-песчаного раствора	1950	2220	2690	28	0,97

 

1.3. Оценка теплопроводности

Теплопроводностью- называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для группы теплоизоляционных материалов, к и для материалов, применяемых для устройства наружных стен и покрытий зданий. Теплопроводность воздуха (l = 0,023 Вт/м°С) значительно меньше, чем у твердого вещества, из которого состоит «каркас» строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом сокращения теплопроводности.

Теплопроводность зависит  от пористости (или средней плотности) и может быть выражена эмпирической формулой проф. В.Н. Некрасова:

 

 

 

 

где l - теплопроводность, Вт/м°С;

r_m – средняя плотность материала, т/м3.

Решение

r_m=1950кг/м³=1,95тонн/м³

 Вт/м°С

1.4. Свойства строительных материалов  по отношению их к воде

Водопоглощение – свойство материала впитывать и удерживать в себе воду при непосредственном контакте с нею.

Различают водопоглощения по массе и по объему.

Водопоглощение по массе (, %) равно отношению массы воды, поглощенной образцом при контакте его с водой, к массе сухого образца

(m_сух):

 

 

где m_вл - масса насыщенного водой образца, г.

Решение:

m_сух=16,45гр

m_вл=17,8 гр

 

Водопоглощение по объему (Wv,%) равно отношению массы воды, поглощенной образцом при контакте его с водой, к объему образца (V):

 

* 100

Решение:

m_сух=16,45гр

m_вл=17,8гр

V_сух=8,4

 

 

Для определения водопоглощения образцы высушивают до постоянной массы, взвешивают и погружают в воду. В зависимости от вида материала насыщение водой проводят в различных условиях и в различные сроки выдержки. В частности, после насыщения водой измерения массы бетонных образцов производят через каждые 24 часа до тех пор, пока результаты двух последовательных измерений не будут отличаться более чем на 0,1% (ГОСТ 12730. 3 -78). Это свидетельствует об окончании водопоглощения. Водопоглощение стеновых материалов определяют по ГОСТ 7025 - 91 путем насыщения образцов материалов водой при температуре 15...20 °С в течение 48 часов или кипящей водой в течение 4 часов.

Результаты испытаний  образцов на водопоглощение по массе () и водопоглощение по объему () заносятся в таблицу (форма табл.1.2).

Форма таблицы 1.2

Результаты оценки свойств материала  по отношению его к воде

Наименование материала	Масса образца, г		Объем образца, см3	Водопоглощение,%
	сухого	Насыщенного водой		По массе	По объему
Кубик из цементно-песчаного раствора	16,45	17,8	8,4	8,20	16,07

 

Водонасыщение – способность материала пропускать через свою толщю воду под давлением. Различают водонасыщения по массе и по объему.

Водонасыщение по массе ( %) равно отношению массы воды, поглощенной образцом при контакте его с водой под давлением, к массе сухого образца (m_сух):

*100

 

где m_вл - масса насыщенного водой образца под давлением, г.