ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Содержание

 

стр.

Введение 2

1. Физико-механические свойства строительных материалов 5

1.1. Плотность 5

1.1.1. Истинная плотность 5

1.1.2. Средняя плотность 5

1.1.3. Насыпная плотность 5

1.1.4. Относительная плотность 6

1.2. Пористость 6

1.3. Пустотность 7

1.4. Водопоглощение 7

1.5. Коэффициент насыщения пор водой 8

1.6. Теплопроводность 8

1.7. Прочность 8

1.8. Твердость 10

1.9. Коэффициент размягчения 10

1.10. Коэффициент конструктивного качества 10

1.11. Особенности определения свойств древесины 11

2. Вяжущие вещества и их виды 13

2.1. Классификация и виды 13

2.2. Типовые задачи к теме «Воздушные вещества» 15

2.3. Типовые задачи к теме «Гидравлические вяжущие вещества» 17

3. Варианты заданий к контрольной работе № 1 19

4. Варианты заданий к контрольной работе № 2 28

 

Литература 37

 

 

Введение

 

Целью преподавания дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» является изучение общих основ материаловедения, позволяющих подготовить специалиста к решению профессиональных задач в области проектно-конструкторской, организационно-управленческой, производственно-технологической, научно-исследовательской деятельности в сфере строительства.

Подготовка высококвалифицированного специалиста ставит перед дисциплиной

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов» следующие задачи:

1. Осветить основные направления научно-технического прогресса в области разработки, производства и применения прогрессивных материалов и изделий; экологические проблемы производства и применения строительных материалов, изделий и конструкций.

1. Выявить тесную материаловедческую связь состава и строения материалов с их свойствами; изложить материаловедческие основы получения материалов оптимального состава, структуры с требуемыми техническими характеристиками, конкурентоспособностью и долговечностью при максимальном комплексном ресурсосбережении; закономерности изменения свойств под воздействием различных факторов.
2. Показать роль науки в создании эффективных конструкционных, изоляционных и отделочных материалов и изделий; закономерности создания состава и структуры, а также качественно новые свойства композиционных материалов, тенденции развития функциональных, конструкционно-функциональных и конструкционных специальных видов материалов.
3. Обратить внимание на значение показателей качества продукции и оценку ее технического уровня по системам сертификации продукции.
4. Отразить тенденции развития специальных видов строительных материалов; проанализировать меры защиты строительных материалов, изделий и конструкций от воздействия различных агрессивных сред; методы повышения долговечности и надежности.
5. Ознакомить с методами экономического анализа при выборе строительных материалов; ориентировать будущих специалистов на использование местных материально-технических ресурсов.
6. Изложить основы развития стандартизации и сертификации, ее роль в повышении качества продукции и развитие на международном, региональном и национальном уровнях.
7. Освоить методы оценки свойств и структуры строительных материалов в ходе лабораторного практикума.

Программа курса ««Материаловедение. Технология конструкционных материалов» предусматривает изучение теоретических основ, проведения лабораторных работ. Теоретическая часть изучается студентами-заочниками самостоятельно по рекомендуемой учебной литературе.

Изучение теоретической части курса завершается выполнением контрольных работ №1, №2. Для выполнения контрольных работ необходимо использовать методические указания и контрольные задания по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» для студентов заочного обучения, специальности ЭУН - 2009 г.

Выполнение контрольных работ производится письменно в соответствии с вариантом. Номер варианта устанавливается путем сложения двух последних цифр шифра зачетной книжки. Например: шифр зачетной книжки 08ЭУН72 вариант выполняемой контрольной работы № 9 (7+ 2).

Контрольные работы состоят из пяти теоретических вопросов и двух задач. Ответы излагаются в письменном виде, они должны быть четкими и конкретными. При решении задач последовательно излагают ход решения и формулируют выводы.

Теоретические вопросы по темам:

- основные свойства строительных материалов;

- природные каменные материалы;

- древесина и композиционные материалы на ее основе;

- керамические материалы;

- материалы и изделия из минеральных расплавов;

- разновидности искусственных полимерных конгломератов;

- металлические материалы и изделия;

- минеральные вяжущие вещества;

- искусственные каменные материалы на основе минеральных вяжущих;

- бетоны на неорганических вяжущих;

- органические вяжущие;

- строительные растворы;

- органические вяжущие и изделия на их основе;

- отделочные материалы;

- современные материалы для полов;

- органические вяжущие и изделия на их основе;

- гидроизоляционные материалы;

- теплоизоляционные и акустические материалы;

- лакокрасочные материалы.

 

Задачи по темам:

- основные свойства строительных материалов;

- керамические материалы;

- металлические материалы и изделия;

- древесина и композиционные материалы на ее основе;

- минеральные вяжущие вещества;

- бетоны на неорганических вяжущих.

Контрольные работы должны быть сброшюрованы и подписаны студентом. Рекомендуется оставлять поля для замечания рецензента и исправлений.

Выполненные контрольные работы сдается на проверку до сессии (за неделю до срока сдачи экзамена).

Получив работы после рецензии, необходимо внести изменения и сдать на повторную проверку.

Лабораторные работы студенты выполняют под руководством преподавателей и лаборантов кафедры. Основные пояснения по выполнению лабораторных работ даются преподавателем, а сами работы по испытанию материалов студенты делают самостоятельно под руководством опытных лаборантов. Студент обязан выполнить все лабораторные работы, причем каждая работа проверяется преподавателем. Студент, получивший зачет по лабораторным работам, выполнивший и получивший рецензию преподавателя по контрольным работам, допускается к сдаче экзамена.

 

 

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Плотность

При решении задач и изучении свойств материалов необходимо различать плотность материалов в естественном состоянии, плотность в абсолютно плотном состоянии (плотность самого материала), плотность сыпучих материалов.

 

1.1.1. Истинная плотность – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот) определяется по формуле:

ρ_и=m/V_а (1.1.)

где: ρ_и – истинная плотность, г/см³;

m – масса материала в абсолютно уплотненном состоянии, г;

V_а – объем материала в абсолютно плотном состоянии, см³

V_а=V-V_п (1.2.)

где: V – объем материала в естественном состоянии, см³;

V_п – объем пор в материале, см³.

 

1.1.2. Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами и пустотами), определяется по формуле:

ρ_о=m_о/V (1.3.)

где: ρ_о – средняя плотность, г/см³;

m_о – масса материала в естественном состоянии, г;

V – объем материала в естественном состоянии, см³.

 

1.1.3. Насыпная плотность – масса единицы объема материала, состоящего из зерен различного диаметра, находящихся в рыхлом состоянии (в насыпной объем включены межзерновые пустоты)

ρ_н=m_н/V_н (1.4.)

где: ρ_н – насыпная плотность, г/см³;

m_н – насыпная масса, г;

V_н – насыпной объем, равный объему сосуда, см³.

Насыпную плотность определяют как в рыхлонасыпном состоянии, так и в уплотненном. В первом случае материал засыпается в сосуд с определенной высоты, во втором – уплотняется на виброплощадке (30-60 сек).

Из вышеизложенного следует, что в единице объема для данного материала

m > m_о > m_н ρ_н > ρ_о > ρ_н

1.1.4. Относительная плотность – безразмерная величина, равная отношению средней плотности материала к плотности воды при 4^оС, равной – 1 г/см³.

d = ρ_о/ρ_в (1.5.)

где: d – относительная плотность;

ρ_о – средняя плотность материала, г/см³;

ρ_в – плотность воды при 4^оС, 1 г/см³.

Относительная плотность учитывается в некоторых эмпирических формулах (формула В.П. Некрасова для расчета теплопроводности, выражение для вычисления коэффициента конструктивного качества и др.).

 

1.2. Пористость материала (общая) – это доля заполнения объема материала порами.

Вывод формулы общей пористости:

V_п=V-V_а

V_а=m/ρ_и

V=m/ρ_о

П_о=[1-(ρ_о/ρ_и)]·100 % (1.6.)

где: П_о – общая пористость материала, доли или %;

V – объем материала в естественном состоянии, см³;

V_а – объем материала в абсолютно плотном состоянии, см³;

V_п – объем пор в материале, см³;

ρ_и – истинная плотность материала, г/см³;

ρ_о – среднаяя плотность материала, г/см³

От величины пористости и ее характера зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, теплопроводность, долговечность и др.

Пористость в материале характеризуется как открытыми, так и закрытыми порами.

П_отк=В_v (1.7.)

где: П_отк – открытая пористость, %;

В_v – водопоглощение по объему.

П_зак=П_о-П_отк (1.8.)

где: П_зак – закрытая пористость, %;

П_о – общая пористость, %;

П_отк – открытая пористость, %.

Открытые поры увеличивают водопоглощение и водопроницаемость материала и ухудшает его морозостойкость.

Увеличение пористости за счет открытой увеличивает долговечность материала, снижает теплопроводность.

 

1.3. Пустотность – это доля межзерновых пустот в насыпном объеме материала.

Вывод формулы пустотности:

V_пуст=V_н-V

V=m/ρ

V_н=m/ρ_н

П_у=[1-(ρ_н/ρ_о)]·100 % (1.9.)

где: П_у – пустотность, доли или %;

V_н – насыпной объем материала, см³;

V – объем материала, см³;

V_пуст – объем пустот в насыпном объеме материала, см³.

Пустотность – важнейшая характеристика правильности подбора зернового состава заполнителей для бетонов, от которых зависит расход вяжущего (цемента, битума и др.). На практике пустотность лежит в пределах 26,5-47,6 %.

 

1.4. Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду. Водопоглощение выражают или степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение по объему В_v), или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощение по массе В_m).

В_m=[(m_н-m_с)/m_с]·100 % (1.10)

В_v=[(m_н-m_с)/V·ρ_в]·100 % (1.11.)

где: В_v – водопоглощение по объему, %;

В_m – водопоглощение по массе, %;

m_н – масса материала, насыщенного водой, г;

m_с – масса материала в воздушно-сухом состоянии, г;

V – объем сухого материала, см³.

Водопоглощение по объему В_v и водопоглощение по массе В_m связаны между собой зависимостью:

В_v/В_m=(m_н-m_с)·m_с/V·ρ_в·(m_н-m_с)=m/V·ρ_в=ρ_о/ρ_в=d (1.12.)

В_v=d·В_m (1.13.)

где: ρ_о – средняя плотность материала, г/см³;

ρ_в – плотность воды, 1 г/см³;

d – относительная плотность.

 

1.5. Коэффициент насыщения пор водой – отношение водопоглощения по объему к пористости.

(1.14.)

где: К_н – коэффициент насыщения пор водой;

В_v – водопоглощение по объему, %

П_о – общая пористость, %.

Коэффициент насыщения пор водой изменяется от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты). Чем выше К_н, тем выше доля открытых пор относительно замкнутых.

 

1.6. Теплопроводность – способность материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, проходящей через материал толщиной 1 м, площадью 1 м², в течение 1 с при разности температур на противоположных поверхностях материала 1^оС.

λ=Q·a/(S·(t₁-t₂)·z) (1.15.)

где: λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м^оС;

Q – количество тепла, Дж;

S – площадь материала, м²;

а - толщина материала, м;

(t₂-t₁) – разность температур по обе стороны слоя материала, ^оС;

z – время, в течение которого проходил тепловой поток, ч

Коэффициент теплопроводности можно подсчитать ориентировочно по относительной плотности материала, пользуясь эмпирической формулой В.П. Некрасова:

(1.16)

где: d – относительная плотность материала.

 

1.7. Прочность – свойство материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, которые возникают под действием внешних факторов (силовых, тепловых и т.д.)

Прочность материала оценивается пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, возникшему в материале под нагрузкой, вызывавшей разрушение материала.

На практике предел прочности определяют путем разрушения стандартных образцов при сжатии, изгибе или растяжении.

1.7.1. Предел прочности при сжатии:

(1.17.)

где: R_сж – предел прочности при сжатии, МПа;

N – разрушающая нагрузка, кгс;

F – площадь сечения образца, см²

1.7.2. Предел прочности при растяжении:

(1.18.)

где: R_раст – предел прочности при растяжении, МПа;

N_р – нагрузка, вызывающая разрыв образца, кгс;

F_о – первоначальная площадь сечения образца, см².

1.7.3. Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца материала в виде призм (балочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения:

(1.19.)

где: R_изг – предел прочности при изгибе, МПа;

М_изг – изгибающий момент;

W – момент сопротивления балки прямоугольного сечения.

W=(b·h²)/6 (1.20.)

где: b – ширина образца, см;

h – высота образца, см.

Предел прочности при изгибе при одной сосредоточенной симметричной относительно опор нагрузке: (рис.1.1.):

R_из = М/W М_из = (1.21.)

(1.22.)

Рис. 1.1. Схема испытания на изгиб, при одной сосредоточенной нагрузке.

При двух сосредоточенных относительно опор нагрузках (рис. 1.2.):

М_из = (1.23.)

(1.24.)

Рис. 1.2. Схема испытания на изгиб при двух сосредоточенных нагрузках.

где: N – разрушающая нагрузка, кгс;

l – расстояние между опорами, см;

b и h – соответственно ширина и высота балочки, см.

 

1.8. Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела (шарика, призмы, пирамиды).

Твердость по Бриннелю (рис. 1.3.) определяют по величине отпечатка металлического шарика по формуле:

НВ=2N∙9,8/[πD(D- )] (1.25.)

где: НВ – твердость, МПа;

d – диаметр отпечатка, мм;

D – диаметр шарика, мм;

N – нагрузка, Н

Рис. 1.3. Схема испытания на твердость

Существует эмпирическая зависимость между твердостью стали по Бриннелю, которая определяется величиной отпечатка твердого металлического шарика диаметром D=10 мм при нагрузке N=3000х9,8 Н и пределом прочности стали на растяжение:

R_раст=0,36 НВ (1.26.)

1.9. Коэффициент размягчения – отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала:

К_р=R_нас/R_сух (1.27.)

где: К_р – коэффициент размягчения

R_сух – предел прочности сухого материала, МПа;

R_нас – предел прочности насыщенного материала, МПа

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины, гипсовые образцы и др.) до 1 (металлы, стекло и др.). Материалы, у которых К_р›0,8, можно применять во влажных условиях без специальных мер по защите их от увлажнения.

1.10 Коэффициент конструктивного качества К.К.К. – отношение предела прочности (как правило при сжатии) материала к его относительной плотности:

 

К.К.К.=R_сж/d (1.27.)

где: к.к.к. – коэффициент конструктивного качества;

R_сж – предел прочности при сжатии, МПа;

d – относительная плотность.

Если для определения прочности, коэффициента размягчения и коэффициента конструктивного качества используют гидравлический пресс с манометром, фиксирующим давление, при котором разрушается образец материала, то предел прочности находят по формуле:

R_сж=N/F=MS/F (1.28.)

где: R_сж – предел прочности при сжатии, МПа;

N – разрушающая нагрузка, кгс;

М – показание манометра (давление), атм.;

S – площадь поршня, см²;

F – площадь образца (рабочая), см².

Единицы измерения:

[R] = Н/м² = 1 МПа; [N] = 1Н = 10^-1 кгс = 10^-3 кН

[R] = 1 кгс/см² = 10⁵ Па = 10^-1 МПа