МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Направление подготовки: 08.03.01. – Строительство

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Строительные материалы» составлены в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 08.03.01 - «Строительство» от 12 марта 2015 г. № 201.

Методические указания включает 2 части. В данном издании представлены методики определения основных свойств строительных материалов, испытаний керамических материалов, гидравлических вяжущих веществ. Вторая часть посвящена самим конгломератам.

Целями освоения дисциплины «Строительные материалы» является формирование у студентов базовых знаний инженерно-технического мышления, и дать студентам знания о материалах, применяемых в строительстве путем изучения основ строительного материаловедения, подготовить их к профессиональной деятельности, к выбору новых материалов для определенных условий эксплуатации при проектировании зданий и сооружений.

Задачами, вытекающие из данной цели можно считать возможности студентов изучить структуру и свойства строительных материалов, технологические основы их получения, рациональные области применения, а также ознакомить студентов с основными положениями материаловедения, позволяющими регулировать строительно-технические свойства строительных материалов, снижать материалоёмкость и энергозатраты в строительстве, повысить долговечность зданий, сооружений и строительных конструкций.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ознакомление с приборами, аппаратурой, оборудованием, методикой проведения испытаний по определению физических показателей качества; определения основных физических характеристик отдельных видов строительных материалов.

Для обоснованного выбора тех или иных строительных материалов, с точки зрения получения наибольшего технико-экономического эффекта при их практическом применении, необходимо знать свойства материалов и учитывать условия, в которых они будут работать в составе строительной конструкции. Свойства материалов чрезвычайно разнообразны.

Свойства разделяют на четыре группы: физические, механические, химические, технологические, иногда выделяют еще физико-химические. В совокупности все свойства именуют как технические свойства строительных материалов. Числовые значения свойств получают при лабораторных или полевых испытаниях материалов с помощью соответствующих приборов и аппаратах. Испытания производят с разрушением специально подготовленных образцов или отдельных элементов конструкции или без их разрушения, т.е. адеструктивными методами (неразрушающий контроль).

Физические свойства определяют способность материалов реагировать на воздействие различных физических факторов: гравитационных, тепловых, водной среды, электрических и т.д. К физическим свойствам относятся: средняя, истинная и насыпная плотности, пористость, влажность, водопоглощение, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент размягчения, морозостойкость и др.

Пористость - это степень заполнения материала порами.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. По величине они могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Более крупные поры, например, между зернами сыпучих материалов, или полости, имеющиеся в некоторых изделиях (пустотелый кирпич, панели из железобетона), называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом или водой; в пустотах, особенно в широкополосных, вода не может задерживаться и вытекает.

Пористость материалов колеблется в широких пределах:

до 75...85 % у теплоизоляционного (эффективного) кирпича и у ячеистого бетона;

и свыше 90 % —у пенопластов и минеральной ваты.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры — сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.

Сведения о пористости материала позволяют определять целесообразные области его применения.

Различают полную, открытую и закрытую пористости. Полная пористость (П) включает в себя открытую (П_о) и закрытую пористости (П_з). Открытыми считаются поры, которые при помещении материала в воду заполняются ею, закрытыми – которые не заполняются водой.

Открытую пористость можно приближенно определить по величине водопоглощения по объему:

Закрытую (замкнутую) пористость в процентах определяют по формуле:

Таблица 4 – Результаты определения пористости

Ознакомление с приборами, аппаратурой, оборудованием, методикой проведения испытаний по определению механических показателей качества; определения основных механических характеристик отдельных видов строительных материалов.

Механические свойства характеризуют способность материалов противостоять силовым, тепловым и другим напряжениям, возникающим в них без нарушения структуры. Механические свойства подразделяются на прочностные и деформативные. Деформативность характеризует способность материала изменять свою форму и размеры без изменения массы.

Прочность – это свойство материалов сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям, возникающим под действием нагрузки, или другим факторам (температура, влажностные деформации, перекристаллизация). При действии различных нагрузок в зданиях и сооружениях в материалах возникают внутренние напряжения сжатия, растяжения, изгиба, среза, кручения и др. Прочность является одним из важнейших свойств большинства строительных материалов, особенно конструкционных.

Прочность строительных материалов оценивают пределом прочности R (МПа) – напряжением, соответствующим максимальному усилию в момент разрушения материала. На практике в сооружениях допускаются напряжения, которые в несколько раз меньше предела прочности. Этим создается запас прочности, установленный государственными нормами.

При приложении внешней нагрузки в материале возникают внутренние силы упругости. Физическую величину, численно равную силе, приходящейся на единицу площади сечения тела, называют напряжением. За единицу измерения напряжения принят паскаль (Па), равный давлению, которое вызывает сила в 1 ньютон (Н), равномерно распределенная по поверхности площадью в 1 м². Эта единица слишком мелкая для строительных материалов, поэтому обычно используют мегапаскаль (МПа): 1МПа = 10⁶ Па.

Иногда используется единица технической системы – кгс/см² (кгс– килограмм силы). 1 МПа = 9,81 кгс/см².

Ознакомиться с образцами кирпича разных видов; освоить методики стандартных испытаний кирпича на лабораторном оборудовании для определения физико-механических свойств; определить особенности применения различных видов кирпича с учетом их технических характеристик.

В современном капитальном строительстве наибольшее распространение получили каменные стеновые материалы, которые обычно подразделяют на мелкоштучные, укладываемые вручную, и крупноразмерные, монтируемые с помощью кранов. К мелкоштучным каменным стеновым материалам относят кирпич керамический и силикатный, керамические многопустотные камни, бетонные и шлакобетонные камни, пилёные камни из лёгких горных пород (известняк, туф и т.п.). Крупноразмерные стеновые материалы — блоки из обычного, лёгкого или силикатного бетона и стеновые панели — однослойные (из лёгкого бетона) и многослойные (из обычного бетона с теплоизоляционным слоем).

Керамическими называются материалы и изделия, изготавливаемые формованием и обжигом глин.

К группе стеновых керамических изделий относятся: кирпич керамический обыкновенный, эффективные керамические материалы (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни, блоки и плиты), а также крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней.

Кирпич и камни керамические изготовляют из глин, а также диатомитов, лессов и промышленных отходов с минеральными, органическими добавками или без них. Их применяют для кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и для изготовления стеновых панелей (двух- и трехслойных) и блоков.

Кирпич нормального формата (одинарный) имеет форму параллелепипеда размером 250 х 120 х 65 мм с прямыми ребрами, четкими гранями и ровными лицевыми поверхностями. Искривление ребер и граней кирпича не должно превышать 3 мм. Модульный кирпич имеет размеры 250 х 120 х 88 мм и выпускается с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича была не более 4 кг.

Кирпич не должен иметь механических повреждений и сквозных трещин. На отдельных кирпичах допускаются отбитости ребер и углов размером по длине не более 15 мм в количестве не более двух на одном кирпиче. На отдельных кирпичах может быть допущена одна сквозная трещина протяженностью не более 30 мм по ширине кирпича. Кирпич должен быть нормально обожжен. После обжига кирпич должен соответствовать цвету эталона нормально обожженного кирпича. Не допускаются известковые включения («дутики»), вызывающие разрушение кирпича.

В зависимости от способа формования различают кирпич пластического формования и полусухого прессования. Первый получают из пластичной (с высоким содержанием влаги) глины. Перед обжигом сырец сушат, при этом размеры кирпича уменьшаются (на 5 – 10%) в результате усадки. Пластическим формованием получают из шихты с влажностью 8…10 %, уплотняемой прессованием под давлением 15…40 МПа. Различают следующие виды кирпича:

– полнотелый – кирпич без пустот или с технологическими пустотами, объем которых составляет не более 13% от объема кирпича. Полнотелыми изготавливаются только одинарные и утолщенные кирпичи;

– пустотелый – кирпич, объем пустот, у которого более 13% (обычно 25 – 45%). Форма и размер пустот могут быть различными. Обычно для изделий с вертикальными пустотами нормируется толщина наружных стенок не более 12 мм, ширина щелевых пустот не более 16 мм, диаметр круглых пустот не более 20 мм;

– клинкерный – кирпич, имеющий высокую прочность и низкое водопоглощение, обеспечивающее эксплуатационные характеристики кладки в сильно агрессивной среде и выполняющее функции декоративного материала;

– лицевой кирпич – используется при кладке стен одновременно как конструкционный, так и отделочный материал. Имеет улучшенные в эстетическом отношении грани, имеет те же размеры и физико-механические свойства, что и обыкновенный кирпич. Его отличает большая точность размеров;

– камень с пазогребневой системой – изделие с выступами на вертикальных гранях для пазогребневого соединения камней в кладке без использования кладочного раствора в вертикальных швах.

Силикатный кирпич отличается от керамического как по сырью и технологии производства, так и по техническим показателям. Сырьем служат кварцевый песок SiO₂ (92…94% от массы сухой смеси), известь-кипелка Ca(OH)₂(6...8%, считая на активную CaO) и вода (7…9%). При увлажнении смеси известь CaO гасится.

Формование кирпича осуществляется на прессе под давлением 15…20 МПа, после чего кирпич-сырец не обжигают, а отправляют в автоклав и там обрабатывают (насыщенным водяным паром при температуре 175-180 ^°С и давлением 08 … 1,2 МПа (8..12 атм)). В результате гашеная известь и кварцевый песок вступают в химическую реакцию типа

В автоклаве идет взаимодействие между гидроксидом кальция, кремнеземом SiO₂ и водой с образованием (синтезом) малорастворимых гидросиликатов кальция (CaO · SiO₂· т H₂O). Иногда этот процесс называют гидросиликатным твердением извести. Эти цементирующие соединения отличаются высокой клеящей способностью и водостойкостью. Они связывают частицы заполнителя (зерна песка) в монолит. Таким образом, в силикатных изделиях песок играет двоякую роль – компонента вяжущего и заполнителя. Для повышения реакционной способности песка его часть размалывают (совместно с известью). Измельченную смесь извести и песка называют известково-песчаным вяжущим.

На производство силикатного кирпича расходуется меньше теплоты, поскольку не требуется сушка и высокотемпературный обжиг, поэтому себестоимость силикатного кирпича примерно на 25 – 35% ниже. Силикатный кирпич применяют для несущих стен зданий, для столбов, опор и т.д. Однако силикатный кирпич не рекомендуется его применять для цоколей зданий из-за недостаточной водостойкости. Для кладки труб и печей силикатный кирпич не используют, так как при высокой температуре дегидратируются (разлагаются) Ca(OH)₂и CaСO₃, которые связывают зерна и кирпич разрушается.

Цвет силикатного кирпича светло-серый, но он может быть любого цвет (путем введения в состав смеси щелочестойких пигментов). Силикатный кирпич имеет такую же форму и те же размеры, как и обыкновенный керамический (250 х 120 х 65 мм). Выпускают также крупноразмерный кирпич (модульный размер 250 х 120 х 88 мм).

Содержание отчета, форма и правила оформления отчета

Отчет по лабораторной работе выполняется на листах форматом А 4. Структурно отчет должен строиться следующим образом:

Исходные данные и результаты заносят в таблицы форм 1, 5, 6 и 8.

1. Что является сырьем для производства керамических изделий?

2. В чем состоит разница между полусухим и пластическим способом изготовления кирпича? Как влияет способ формования на качество кирпича?

3. Расскажите о классификации керамических изделий по их назначению.

4. По каким показателям оценивают качество стеновых штучных материалов (кирпича силикатного и керамического)?

5. Какие отделочные керамические материалы вы знаете? Какие технические показатели определяют качество керамических материалов для наружной отделки зданий? Для внутренней отделки?

7. В чем разница между терминами «кирпич керамический» и «камень керамический»?

8. Какие керамические изделия применяют для облицовки фасадов зданий?

9. Какие керамические изделия применяют для внутренней облицовки стен?

10. Назовите керамические изделия специального назначения.

11. Какое сырье требуется для производства силикатного кирпича?

12. Что происходит при автоклавной обработке силикатного кирпича? Физический смысл и химическая реакция.

13. Чем отличается эффективный кирпич от условно-эффективного?

14. Как зависит толщина наружных стен от теплопроводности материала?

15. По каким показателям и как определяется марка кирпича по прочности?

16. Почему недопустимо испытывать кирпич на сжатие без специальной подготовки образца?

17. Почему силикатный кирпич не применяют для кладки стен подземной части зданий? Для кладки печей?

19. Как определить предел прочности при сжатии?

20. Как определить предел прочности при изгибе?

21. В чем преимущество применения пустотелого кирпича по сравнению с полнотелым?

22. Как определить водопоглощение кирпича? Почему согласно ГОСТ к стеновым материалам предъявляют требования по водопоглощению?

23. Что такое коэффициент насыщения? Какое свойство кирпича он характеризует?

24. Как определяется средняя плотность кирпича?

Ознакомиться со стандартными и нестандартными методами определения основных физико-механических показателей качества портландцемента (ПЦ); закрепить полученные на лекциях теоретические знания о минеральных вяжущих веществах.

Минеральные (неорганические) вяжущие вещества представляют собой искусственные тонкоизмельченные порошки, способные при смешивании с водой (в отдельных случаях с растворами некоторых солей) образовывать пластично-вязкую массу (тесто вяжущего), которая в результате физико-химических процессов постепенно затвердевает и переходит в камневидное тело.

Неорганические вяжущие вещества в зависимости от их способности твердеть и сохранять свою прочность в определенной среде делят на воздушные, гидравлические и кислотостойкие. Воздушные вяжущие (гипсовые и ангидритовые вяжущие, известь воздушная, магнезиальные вяжущие, растворимое стекло) твердеют и длительно сохраняют прочность лишь в воздушной среде. Вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять или повышать прочность не только на воздухе, но и еще лучше в воде, называют гидравлическими вяжущими (гидравлическая известь, портландцемент и его разновидности, глиноземистый и расширяющий цементы, шлаковые вяжущие вещества).В отдельную группу кислотостойких вяжущих входит кислотоупорный кварцевый цемент.

Портландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, которое состоит на 70-80% из высокоосновных силикатов кальция, получаемое обжигом при температуре 1450°С сырьевой смеси известняка и глины с последующим помолом продукта обжига (клинкера) в тонкий порошок совместно с гипсом и минеральными добавками.

При помоле клинкера в количестве до 20% можно добавлять активные минеральные добавки. Используют добавки осадочного происхождения: диатомит, трепел (их можно вводить до 10%); вулканического происхождения –вулканические пеплы, туфы, пемза (до 15%), а также доменные гранулированные шлаки (до 20%). В зависимости от содержания минеральных добавок портландцемент имеет обозначения: ПЦ-Д0 (без добавок), ПЦ-Д5 (до 5% добавок), ПЦ-Д20 (до 20% добавок).

- Истинная плотность портландцемента 3,1-3,15 г/см³; насыпная плотность 900-1100 кг/м³.

- Водопотребность цемента при получении теста нормальной густоты обычно 24-28%. Снижение водопотребности достигается использованиемдобавок пластификаторов (ПАВ) и особенно суперпластификаторов.

- Сроки схватывания – характеризуют, сколько времени вяжущее тесто сохраняет пластичность. Схватыванием называют процесс потери пластичности вяжущим тестом: при этом оно становиться жестким и приобретает начальную прочность. Для ускорения или замедления схватывания применяют химические добавки. Ускорителями являются: хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных металлов (CaCl₂, поташ К₂СО₃ и т.п.), жидкое стекло, формиат кальция. Необходимо учитывать, что некоторые из них (особенно хлориды) вызывают коррозию арматуры в железобетоне. Замедлители: лигносульфонаты кальция (ЛСТ), сахарная патока.

- Равномерность изменения объемацемента при твердении является важным качественным показателем. Причиной неравномерного изменения объема цементного камня являются местные деформации, вызываемые расширением свободного СаО и периклаза MgO вследствие их запоздалой гидратации (гашения). По стандарту изготовленные из теста нормальной густоты образцы-лепешки через 24 ч предварительного твердения выдерживают в течение 3 ч в кипящей воде. Лепешки не должны деформироваться, не допускаются также радиальные трещины, доходящие до краев.

- Тепловыделениецемента обусловлено тем, что реакции гидратации клинкерных минералов являются экзотермическими. Наиболее интенсивно ПЦ выделяет тепло в ранние сроки твердения, причем большее содержание алита и трехкальциевого алюмината обусловливает большее тепловыделение. Белитовые цементы имеют меньшее тепловыделение. Большее тепловыделение позволяет твердеть бетону при низких температурах, в том числе при отрицательных (метод «термоса»), меньшее – нужно для массивных конструкций (для недопущения неравномерных температурных деформаций).

- Среди наиболее важных показателей качества портландцемента и других цементов является так называемая активность – показатель предела прочности, получаемый при испытании на осевое сжатие половинок образцов–балочек размером 4 х 4 х 16 см, изготовленных из цементно-песчаного раствора пластичной консистенции (В/Ц

0,40) состава 1:3, выдержанных в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях. По активности судят о марках цемента.

Марка цемента принято именовать величину его активности, но с округлением до нижнего предела и с учетом его предела прочности при изгибе.

Допускается ускоренное испытание на определение активности, например в возрасте 3 и 7 суток, но с последующим уточнением данных применительно к нормальному 28-суточному возрасту испытания образцов.

Для проведения испытания отвешивают 500 г цемента и 1500 г кварцевого песка (песка определенного зернового состава). Материалы высыпают в сферическую чашу и перемешивают круглой лопаткой в течение 1 мин. Затем в центр смеси выливают 200 мл воды из расчета В/Ц = 0,4. После впитывания воды смесь перемешивают 1 мин. Дальнейшее перемешивание смеси производят в лабораторной мешалке в течение 2,5 мин. Готовую смесь укладывают в сферическую чашу после чего определяют ее консистенцию на встряхивающем столике. Для этого форму-конус на половину высоты заполняют раствором и уплотняют 15 штыкованиями металлической штыковкой. Далее конус заполняют с некоторым избытком и штыкуют еще 10 раз. Поверхность раствора выравнивают вровень с краями конуса металлической линейкой, после чего форму-конус поднимают вертикально вверх. Оставшийся растворный конус встряхивают 30 раз в течение 30 с. Диаметр основания растворного конуса после встряхивания измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее значение. Если расплыв конуса находится в пределах 106…115 мм, то раствор имеет нормальную консистенцию. Если расплыв конуса менее 106 мм, количество воды увеличивают для получения расплыва 106 - 108 мм. При расплыве конуса больше 115 мм количество воды уменьшают для получения расплыва 113…115 мм.

Из раствора нормальной консистенции изготовляют три образца-балочки размером 4 × 4 × 16 см. Перед укладкой раствора форму с насадкой закрепляют в центре лабораторной виброплощадки. Форму по высоте наполняют приблизительно на 1 см раствором и включают виброплощадку. В течение первых 2 мин вибрации все три гнезда равномерно заполняют раствором. После 3-х мин вибрации отключают виброплощадку, снимают насадку, удаляют излишки раствора, заглаживают поверхность образцов и маркируют их.

Затем форму с образцами помещают в ванну с гидравлическим затвором, обеспечивающую нормальные условия хранения (температура воздуха t = 20 ± 2°С, влажность воздуха φ = 95 …100 %). Через 24 ч образцы распалубливают и помещают в ванну с питьевой водой (t = 20 ± 2°С),где они находятся еще 27 сут.

В возрасте 28 сут с момента изготовления образцы вынимают из воды и подвергают испытанию на изгиб и сжатие.

Для испытания образцов балочек на изгиб могут быть использованы приборы любой конструкции, удовлетворяющие следующим требованиям.

Средняя скорость нарастания испытательной нагрузки на образец должна быть (0,05±0,01) кН/с (0,12±0,02) МПа/с в пересчете на единицу площади приведенного сечения балочки. Захват для установки образца должен быть снабжен цилиндрическими элементами. Нижние опорные элементы должны иметь возможность поворота относительно горизонтальной оси, лежащей на нижней опорной плоскости образца и являющейся осью ее продольной симметрии. Схема расположения образца на опорных элементах, их форма, размеры и взаимное расположение приведены рисунке 6. Образец устанавливают на опорные элементы прибора таким образом, чтобы его горизонтальные при изготовлении грани находились в вертикальном положении.

Рисунок 6 – Схема расположения образца на опорных элементах.

Предел прочности при изгибе (R_изг), МПа (кгс/см²), образца вычисляют по формуле (2.2). За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение двух наибольших результатов испытания трех образцов.

Полученные после испытания на изгиб шесть половинок балочек сразу же подвергают испытанию на сжатие. Половинку балочки помещают между двумя пластинками таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к стенкам формы, находились на плоскостях пластинок, а упоры пластинок прилегали к торцевой гладкой плоскости образца (рисунок 7).

Образец вместе с пластинами центрируют на опорной плите пресса. Средняя скорость нарастания нагрузки при испытании должна быть (2,0±0,5) МПа/с.

Рисунок 7 – Положение образца между нажимными пластинками при испытании на сжатие: 1 – нижняя плита пресса; 2 – пластинки; 3 – верхняя плита пресса.

Предел прочности при сжатии отдельного образца вычисляют как частное от деления величины разрушающей нагрузки (в Н) на рабочую площадь пластинки – на 25 см²по формуле (2.1). За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение четырех наибольших результатов испытания 6 образцов.

Таблица 13 – Результаты определения марки цемента

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: