Определение основных физических свойств строительных

Лабораторная работа №1.

Определение основных физических свойств строительных

материалов.

Физические свойства строительных материалов характеризуют его строение или отношение к физическим процессам окружающей среды. Физические свойства материалов можно разделить на следующие группы:

1. Параметры состояния (истинная плотность, средняя плотность, насыпная плотность, пористость, коэффициент плотности, удельная поверхность и т.д.);

2. Гидрофизические свойства (водопоглощение, гигроскопичность, коэффициент размягчения, водопроницаемость, морозостойкость, сорбционная влажность, капиллярные всасывания воды, влажностные деформации, газо- и паропроницаемость);

3. Теплофизические свойства (теплопроводность, термическое сопротивление, теплоёмкость, огнеупорность, огнестойкость).

Цель лабораторной работы: изучение методов исследования основных физических свойств строительных материалов; ознакомление с нормативными документами (ГОСТами и техническими условиями) на методы и средства испытания строительных материалов.

1. Определение плотности строительных материалов.

1.1. Определение истинной плотности.

Истинная плотность р (кг/м³) – масса единицы объёма абсолютно плотного материала. Если масса материала m (кг), а его объём в плотном состоянии ,

то значение истинной плотности выражается формулой

р = , кг/м³ (1)

Для определения истинной плотности каменных (искусственных и естественных) материалов из отобранной средней пробы отвешивают 200-220 г. Кусочки отобранной пробы сушат в сушильном шкафу при температуре 110 + 5 С до постоянной массы. Для получения абсолютного объёма материала (т.е. без внутренних пор) тщательно тонко измельчают материал в агатовой или фарфоровой ступке. Полученный порошок просеивают через сито №02 (размер ячейки в свету 0,2х0,2 мм). Из просеянного порошка отвешивают с точностью до 0,01 г. на технических весах 80 г. Определение объёма основано на свойстве тел (в данном случае объёма в плотном состоянии, т.к. материал измельчён; его структура с внутренними порами разрушена), погруженных в жидкость, вытеснять объём жидкости, равный объёму материала (в данном случае в порошкообразном состоянии).

Подготовка объёмометра Ле Шателье к работе: а) заполнить объёмометр нейтральным (по отношению к испытуемому материалу) жидкостью до нижней нулевой черты (отсчёт по нижнему мениску); б) тщательно насухо протереть внутреннюю поверхность шейки колбы (до расширения) и всю наружную поверхность её фильтрованной бумагой; в) вставить предварительно протёртую насухо стеклянную воронку в объёмометр.

Рис. 1. Объемометр Ле Шателье:

1 — штатив; 2 — воронка; 3 — термометр; 4 — объемомер; 5 — сосуд с водой

Из навески порошка кирпича ( =80 г.) небольшими порциями высыпают в объёмометр до тех пор, пока уровень жидкости в нём не поднимется до определённой черты с делением 20 см³ (отсчёт брать по нижнему мениску) или до черты в пределах верхней градуированной части прибора. Разность между навеской порошка кирпича до испытания и остатком после испытания ( - ) указывает на массу материала в объёмометре, а разность между конечным и начальным уровнями жидкости в объёмометре ( - ) указывает на объём, занимаемый порошком кирпича. Тогда истинная плотность будет определяться так:

p = = , кг/м³ (2)

где - масса измельчённого материала до испытания,

– остаток измельчённого материала после испытания,

= ( - ) – масса материала в объёмометре (масса материала в плотном состоянии, кг

- отметка уровня жидкости после испытания,

- отметка уроаня жидкости в объёмометре до испытания,

= () – объём, занимаемый порошком кирпича в объёмометре, м³.

Расчёт значений истинной плотности р производить с точностью до 0,01 кг/м³. Результаты испытаний оформляют в виде таблицы.

Таблица 1

Результаты определения истинной плотности

Материал	Масса навески , кг	Остаток навески , кг	Массы в плотном состоянии , кг	Объём в плотном состоянии = , м³	Истинная плотность р = , кг/м³

1.2. Определение средней плотности

Средняя плотность р (кг/м³) – масса единицы объёма материала в естественном (вместе с порами и пустотами) состоянии. Если масса материала (кг), а его объём в естественном состоянии V (м³), то средняя плотность выражается формулой

= , (кг/м³) (3)

Выбор методики определения средней плотности зависит от плотности исследуемого материала (плотные и пористые) и его геометрии (образцы правильной и неправильной формы).

1.2.1 Определение средней плотности для образцов правильной геометрической формы (плотных и пористых)

Настоящая методика определения средней плотности применима для любых материалов (плотных и пористых), имеющих форму правильных геометрических фигур (куб, параллелепипед, цилиндр и др.). Определение средней плотности в данном случае сводится к определению массы сухого (высушенного до постоянной массы при температуре 100 + 5 С) образца и определению его объёма по результатам измерений с помощью элементарных формул.

Замечание: Для образцов из пористых материалов размеры рёбе образцов-кубов и параллелепипедов должны быть не менее 100 мм, а размеры цилиндрического образца не менее 70 мм. Для образцов из плотных материалов размеры рёбер должны быть не менее 70 мм, а цилиндрических – не менее 40мм.

Линейные размеры образцов измеряют штангенциркулем (длину, высоту, ширину, диаметр) не менее 3-х раз по каждой грани.

По результатам трёх измерений каждой грани определяют среднеарифметические линейные размеры по формуле:

; ; ; = , м (4)

где ; ; ; – линейные размеры конкретного измерения (с точностью до 0.1 мм) длины, ширины, высоты, диаметра образца, соответственно, м;

n – количество измерений.

Объём для куба и параллелепипеда вычисляют по формуле

V = , м³ (5)

Объём для цилиндрических материалов вычисляют по формуле:

V = π /4, м³ (6)

Определив объём образцов правильной геометрической формы по формулам (5) или (6), затем их взвешивают. Точность взвешивания зависит от массы образцов: образцы массой менее 500 г взвешивают с точностью до 0,1 г, а массой 500 г и более с точностью до 1г.

Результаты записывают в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты определения средней плотности

образцов правильной геометрической формы

Материал	Геометрия образца	Средние линейные размеры	Объём образца V, м³	Масса образца m, кг	Средняя плотность р = , кг/м³
а
Тяжёлый бетон	куб

1.2.2 Определение средней плотности образцов неправильной геометрической формы.

Методика проведения исследования зависит от плотности материала и имеющихся в наличии приборов. В основе определения средней плотности образцов неправильной геометрической формы лежит способ определения его объёма. Определение объёма образцов неправильной геометрической формы основано на вытеснении образцом из сосуда жидкости, в которую его погружают. При этом плотные образцы предварительно насыщают водой, а пористые парафинируют.

1.2.3 Определение средней плотности образцов неправильной геометрической формы с помощью объёмомера

Для определения средней плотности плотных образцов неправильной геометрической формы (к плотным материалам относятся такие горные породы: граниты, сиениты, диориты, габбро, базальты и др.) необходимо взвесить предварительно высушенный образец (высушенный до постоянной массы при температуре 110 + 5 С), определить его массу m кг.

Для проведения испытания необходимо подготовить объёмомер к работе: заполняют объёмомер водой несколько выше трубки 2 (рис.) и ждут, пока избыток воды стечёт. Затем подставляют под трубку объёмомера мерный цилиндр (или взвешенный стакан) и аккуратно (с помощью нити) опускают в объёмомер исследуемый образец. Собрав в мерный цилиндр (или предварительно взвешенный стакан) всю вытесненную воду, определяют объём V образца (если воду собирают в мерный цилиндр, то по шкале цилиндра определяют объём; если воду собирают в предварительно взвешенный стакан, то объём вытесненной воды, что тот же объём образца, вычисляют по формуле:

V =

где - масса стакана с водой, кг;

- масса стакана, кг;

- плотность воды, кг/м³;

Здесь можно принять = 1000 кг/м³.

Схема определения объёма

образца с помощью объёмомера

1-объёмомер;

2-сливная трубка

3-образец;

4-стакан.

Определив одним из указанных способов объём образца, рассчитывают его среднюю плотность по формуле:

= , кг/м³ (7)

Замечание: строго говоря, описанный способ определения средней плотности применим для материалов, у которых отсут­ствуют поры на поверхности, а сама структура плотная. Поэтому для плотных материалов (пористость которых не превышает 5-10%) этот способ удовлетворителен. Если необходимо определить очень точно средние плот­ность для плотных материалов или определить среднюю плотность для пористых материалов, то необходимо покрывать их поверхность защитными плёнками. Этот способ приводится ниже.

1.2.4 Определение средней плотности пористых образцов неправильной геометрической формы

Образец высушивают (до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 110 + 5 С) и взвешивают, определяют его массу m, кг. Затем, предварительно обвязав ниткой, его парафини­руют, т.е. с помощью кисти (или бумажной трубочки) покрывают тонким слоем парафина. После того, как парафин застынет, образец осматривают, удаляют пузырьки воздуха, тщательно допарафинируют и вторично взвешивают, определяют массу парафинированного образца (кг). Затем с помощью объёмомера (см. предыдущее исследование и рис. 3) можно определить объём парафинированного образца.

В данном исследовании (для более широкого изучения методов) произведём определение объёма образца с помощью гидростатического взвешивания.

Парафинированный образец взвешивают в воде, затем определяют массу (кг), объём образца: = , м³ (8)

где - масса парафинированного образца (полученная при взвешивании на воздухе); кг;

- масса кажущаяся парафинированного образца (полученная при взвешивании в воде) кг;

- плотность воды, здесь = 1000 кг/м³.

Объём парафина

= , м³ (9)

= 0,93 г/см³.

где m – масса сухого образца, кг; - плотность парафина ( =930кг/м³).

Объём образца

V = - , м³ (10)

Определив объём образца (V), и зная его массу в сухом состоянии (m), можно определить плотность исследуемого образца (материала) по формуле:

= , кг/м³ (11)

Если свести формулы (8), (9),(10) к одному выражению, то формулу (11) можно привести к более удобному общему виду следующим образом:

= , кг/м³ (12)

Таблица 3

Результаты определения средней плотности для пористых

образцов неправильной геометрической формы.

Наименование материала	Масса сухого образца m, кг	Масса параф. образца, , кг	Кажущ. масса параф. образца , кг	Объём параф. образца , м³	Объём парафина , м³	Объём образца V, м³	Средняя плотность кг/м³

1.2.5 Определение средней плотности сыпучих материалов

Для определения средней плотности сыпучих материалов используют прибор, изображенный на рис.5. В воронку /3/ насыпают сухой песок, затем открывают задвижку /I/ и заполняют предварительно взвешенный мерный цилиндр /2/ песком с избытком. Закрыв задвижку, металлической или деревянной линейкой срезают излишек песка или другого исследуемого сыпучего материала. При этом линейку держат наклонно, плотно прижимая к краям цилиндра.

Необходимо, чтобы при заполнении цилиндра и удалении избытка сыпучего материала цилиндр был неподвижным, не испытывал толчков, колебаний, так как сыпучий материал может уплотняться. Затем цилиндр е материалом взвешивают с точностью до 1 г.

Среднюю плотность сыпучего материала определяют по формуле:

= , кг/м³ (13)

где - масса цилиндра с материалом, кг; - масса пустого цилиндра, кг;

V – объём цилиндра, м³.

Испытание повторяют пять раз и плотность сыпучего материала в рыхло-насыпном состоянии вычисляют как среднее арифметическое пяти определений.

Стандартная воронка

1 – задвижка;

2 – мерный цилиндр вместимостью 1 л; 3 – воронка.

1.3. Определение пористости.

Пористость материала характеризуется степенью заполнения его (материала) объёма порами. Пористость – величина безразмерная, обычно выражается в процентах %. Рассчитывают пористость по формуле:

П = (1 - )100, % (14)

где - средняя плотность материала, кг/м³;

- истинная плотность материала, кг/м³.

В данной работе, используя численные значения и для кирпича, определим го пористость.

1.4. Определение пустотности.

Пустотность – понятие, относящееся к сыпучим материалам (находящихся в рыхло-насыпном состоянии). Пустотность сыпучего материала характеризуется степенью заполнения объёма, занимаемого материалом, пустотами и порами. Пустоты образуются между зёрнами (песок) и кусками (щебень, гравий), а поры содержатся в частицах (песок) и кусках (щебень, гравий) самого материала.

Пустотность вычисляется по формуле:

П = (1 - )100, % (15)

где - насыпная плотность сыпучего материала, кг/м³ (определяется см. выше)

- истинная плотность сыпучего материала, кг/м³ (определяется см. выше)

1.5. Определение водопоглощения

ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ - способность материала впитывать и удерживать в порах воду.

Определяют водопоглощение по массе и объему.

Водопоглощение по массе:

Водопоглощение по массе равно отношению массы воды, поглощенной образцом при насыщении, к массе сухого материала m по формуле:

= 100, % (16)

где m₁ - масса насыщенного водой образца, кг;

m - масса сухого /высушенного до постоянной массы. при температуре 110 ± 5°С образца, кг.

Водопоглощение по объему:

Водопоглощение по объему - степень заполнения объема материала водой. Численно водопоглощение по объему равно отношению массы воды, поглощенной образцом при насыщении, к объему образца V по формуле:

= 100, % (17)

где - масса насыщенного водой образца, кг;

m - масса сухого образца, кг;

V - объем образца, м³.

Испытания чаще всего производят на образцах правильной геометрической формы, чтобы легче определить их объем. Для испытания горных пород выпиливают образцы-кубы (размер ребра 100 или 150 мм) или цилиндры, имеющие одинаковые размеры высоты и диаметра. При определении водопоглощения изделий используют изделия (независимо от их размеров). В настоящем исследовании определяется водопоглощение кирпича.

Испытание на водопоглощение кирпича производят следующим способом.

Образцы кирпич; в количестве 3 штук перед испытанием высушивают при температуре 110 + 5°С до постоянной массы. Массу образца считают постоянной, если разница последующих взвешиваний после высушивания не превышает 0,2%. Взвешивание образцов производят после их полного остывания. Время между двумя последовательными взвешиваниями, включающее сушку и остывание образцов, должно быть не менее 3 часов.

Взвесив сухой образец, определяет его массу m, кг. Затем образцы-кирпичи укладывает тычком на дно сосуда с водой (температура воды должна быть 15-20°С) таким образом, чтобы уровень воды над верхом образцов был не выше на 2-10 см. Образцы выдерживают в воде в течение 48 часов, после чего их вынимают из сосуда, обтирают влажной тканью и немедленно взвешивают и определяет массу в водонасыщенном состоянии , кг. Массу воды, вытекшей на чашку весов, включают в мессу насыщенного водой образца. Затем по формулам 16 и 17 определяют и соответственно.

Водопоглощение определяет как среднеарифметическое значений результатов испытания трех образцов.

Замечание: Водопоглощение, определяемое погружением образцов из различных материалов в воду, характеризует в основном открытую пористость. Однако отождествлять открытую пористость, сравнивая объем открытых пор с объемом поглощенной воды, в данном случае нельзя, т.к. не все мелкие и мельчайшие поры из-за поверхностного натяжения доступны воде при атмосферном давлении.

Результаты испытания записывают в табличной форме.

Таблица 4

Результаты испытания строительных материалов на водопоглощение

Наименование материала	Масса сухого образца m, кг	Масса в водонасыщенном состоянии , кг	Объём образца V, м³	Водопоглощение по массе , %	Водопоглощение по объёму , %
Среднеарифметические значения водопоглощения:

По среднеарифметическим значениям водопоглощения и , необходимо определить среднюю плотность материала, т.к. соотношение между водопоглощением по массе и объёму равно средней плотности материала в сухом состоянии:

= : = , кг/м³ (18)

2. Теплофизические свойства.

2.1 Теплопроводность

Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту от одной поверхности к другой. Это свойство является главным, как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов, применяемых для ограждающих (наружных) конструкций – стен и покрытий зданий. Теплопроводность материала (λ, Вт/м ⁰С) оценивается количеством теплоты, проходящего через стенку испытываемого материала толщиной 1м, площадью 1 м² за 1 час при разности температур противоположных направлений стены 1 ⁰С.

Численной значение теплопроводности зависит от плотности материала (степени пористости, вида пор) и других причин.

На практике удобно судить о теплопроводности материала по его средней плотности, используя эмпирическую независимость В.П. Некрасова:

λ = 1,16 -0,16, Вт/м С (19)

где - относительная плотность материала (величина безразмерная).

Относительная плотность d выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определённых физических условиях

d = (20)

где - средняя плотность испытуемого материала в условиях, при которых испытание - температура окружающего воздуха, Р – давление;

- средняя плотность стандартного вещества в стандартных условиях ( - стандартная температура, Р – стандартное давление)

В качестве стандартного вещества удобно принимать воду, которая при = 3,98С и = 760 мм. рт. ст. имеет среднюю плотность = 1000 кг/м³.

В настоящей работе необходимо определить теплопроводность образцов правильной геометрической формы (для удобства вычисления их объёма) из следующих материалов: 1) тяжёлый бетон; 2) асфальтобетон; 3) древесина; 4) пенополистирол; 5) мрамор;6) раствор строительный тяжёлый; 7) гипс.

Результаты определения теплопроводности запишем в табличной форме

Таблица 5

Результаты исследования строительных материалов на теплопроводность

Материал	Масса образца m, кг	Объём образца V, м	Средняя плотность	Относительная плотность ą	Теплопроводность λ, Вт/м С

Теплопроводность некоторых материалов:

Воздух – λ = 0,023 Вт/м ⁰С;

Лёд – λ = 2,3 Вт/м ⁰С;

Тяжёлый бетон в воздушно-сухом состоянии λ = 1,3-1,6 Вт/м ⁰С;

Кирпич глиняный обыкновенный λ = 0,8-0,9 Вт/м ⁰С;

Минеральная вата λ = 0,06-0,09 Вт/м ⁰С.

3. Техника безопасности при выполнении лабораторной работы.

1. К лабораторным работам по курсу "Строительные материалы» допускается студенты прошешие инструктаж и расписавшиеся в контрольной ведомости, имеющие рабочие халаты.

2. В лаборатории должна соблюдаться дисциплина и порядок на рабочих местах.

3. На рабочем месте не должно быть лишних приборов, приспособлений и посторонних, не относящихся к конкретному испытанию.

4. При проведении лабораторных исследований необходимо быть внимательным, аккуратным, чтобы не травмировать себя и, окружающих (при измельчении материалов, пользованием стеклянной

посуды и т.д.).

5.Запрещается пользоваться неисправными приборами электрическими,

включать рубильники и другие электроприборы без разрешения преподавателя; брать, рассматривать приборы и установки, не относящиеся к данной работе.

6. Бережно относиться к приборам, установкам и инструментам.

7. После окончаний испытаний необходимо навести порядок на рабочем месте, помыть и почистить лабораторную посуду.

4. Контрольные вопросы.

1. Истинная, средняя и насыпная, относительная плотности - определения и формулы.

2. Методы определения истинной, средней и насыпной плотности.

3. Приборы и установки для определения истинной, средней и насыпной плотности.

4. Особенности определения средней плотности для образцов правильной я неправильной геометрической формы, плотных и пористых.

5. Какой метод точнее: гидростатическое взвешивание или с помощью объёмомера при определении средней плотности?

6.. Какой принцип используется при определении объёма образцов неправильной формы?

7. Водопоглощение объемное и массовое - определение и расчётные

формулы.

8. Связь между объёмным и водопоглощением по массе?

9. Методика определения водопоглощения.

10. Какие основные свойства строительных материалов тесно связа­ны со способностью его поглощать и удерживать воду?

11. Теплопроводность - определение и расчетная формула.

12. Для каких материалов и конструкций теплопроводность - глав­ное свойство? Привести примеры.

Литература

1. Попов Л.Н. Лабораторные испытания строительных материалов и изделий. Высшая школа.1984. -167с.

2. ГорчаковГ.И., Баженов Ю.M. Строительные материалы:

Стройиздат, 1986. -687с.

Дата добавления: 2015-08-28