Основные свойства строительных материалов

Строительный институт

 

 

Кафедра Строительные материалы

 

Строительные материалы

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ

для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 Строительство

заочной формы обучения

 

Составители: Г.А. Зимакова,

кандидат технических наук, доцент;

 М.П. Зелиг старший преподаватель;

В.А. Юмина старший преподаватель.

Часть 1

 

Тюмень

ТИУ

2016

Строительные материалы: метод. указ. и задания к выполнению контрольных работ для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 Строительство, заочной формы обучения. Часть 1 / сост. Зимакова Г.А..; Зелиг М.П.; Юмина В.А.; Тюменский индустриальный университет.– 1-е изд.– Тюмень: Издательский центр БИК, ТИУ, 2016.– 26 с.

 

 

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию
на заседании кафедры Строительные материалы.

«15» ноября 2016 года, протокол № 5.

 

.

Аннотация

 

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 Строительство заочной формы обучения. Данная дисциплина изучается в двух семестрах.

Методические указания содержат краткую теоретическую часть, расчетные формулы, рисунки, примеры решения задач и задания для выполнения контрольных работ в соответствии с программой дисциплины и списком рекомендуемой литературы.

Методические указания и задания к выполнению контрольных работ окажет помощь преподавателям в организации самостоятельной работы студентов, а также могут пригодиться обучающимся при повторении изученного материала и подготовке к зачету.

СОДЕРЖАНИЕ

Общие положения………………………………………………………4

1. Физико-механические свойства строительных материалов……...5

1.1 Плотность…………………………………………………………5

1.2 Пористость………………………………………………………..6

1.3 Пустотность………………………………………………………..6

1.4 Водопоглощение…………………………………………………7

1.5 Коэффициент насыщения пор водой…………………………….7

1.6 Теплопроводность………………………………………………..8

1.7 Прочность…………………………………………………………8

1.8 Твердость……………………………………………………… 10

 1.9 Коэффициент размягчения….………………………………….10

1.10 Коэффициент конструктивного качества……………………10

2. Особенности определения свойств древесины…………………...11

3. Определение свойств лакокрасочных материалов………………12

4. Примеры решения задач…………………………………………..13

4.1 Типовые задачи по теме " Основные свойства

 строительных материалов, лакокрасочные материалы,

керамические материалы, древесина"…………………………...13

5. Варианты заданий к контрольной работе № 1…………………..15

Библиографический список……………………………………………25

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Контрольное задание содержит вопросы и задачи. Ответы на поставленные вопросы излагаются сжатыми четкими формулировками без лишних подробностей и повторений. Изложение ведется в безличной форме. Все принятые в описаниях справочные данные должны иметь ссылки на источники, которые приводятся в перечне использованной литературы (в алфавитном порядке).

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;

- 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.

При решении задач последовательно излагают ход решения и формулируют выводы.

Рекомендуется оставлять поля для замечания рецензента и исправлений.

Выполненная контрольная работа сдается на проверку до сессии.

При наличии в контрольной работе ошибок и неточных ответов, необходимо внести исправления и сдать работу на повторную проверку.

Контрольная работа должна быть выполнена в печатном виде, на листах формата А4 с рабочим полем 170×277 мм, поля слева шириной 30 мм и справа шириной 10 мм, текст форматируется по ширине. Допускается решение задачи выполнить в письменном виде.

Контрольная работа должна иметь титульный лист стандартной формы и задание по работе в соответствии с назначенным вариантом.

№ варианта устанавливается путем сложения двух последних цифр номера зачетной книжки.

Страницы должны быть пронумерованы, таблицы должны иметь названия, контрольная работа должна быть сшита или помешена в специальную папку.

 

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основные свойства строительных материалов

1.1 Плотность

При решении задач и изучении свойств материалов необходимо 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)

где ρ_и – истинная плотность, г/см³;

m – масса материала в абсолютно уплотненном состоянии, г;

V_а – объем материала в абсолютно плотном состоянии, см³

Vа=V-V_п                                             (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:

ρ₀=m₀/V                                              (3)

где ρ₀ – средняя плотность, г/см³;

m₀ – 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                                             (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 рыхло-насыпном 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>m₀>m_н, ρ_и> ρ₀>ρ_н

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

d=ρ₀/ρ_в                                                (5)

где d – относительная плотность;

ρ₀ – средняя плотность материала, г/см³;

ρ_в – плотность воды при 4⁰С, 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/ρ₀,

 

П₀=[1-(ρ₀/ρ_и)]·100 %                          (6)

где П₀ – 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;

ρ₀ – средняя 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                                                                                          (7)

где П_отк – открытая пористость, %;

   В_v – водопоглощение по объему.

П_зак=П₀-П_отк                                        (8)

где П_зак – закрытая пористость, %;

   П₀ – 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_пус=V_н-V, V=m/ρ, V_н=m/ρ_н,

П_у=[1-(ρ_н/ρ₀)]·100 %                           (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 Вv), или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощение по массе Вm).

В_m=[(m_н-m_с)/m_с]·100 %                                         (10)

В_v=[(m_н-m_с)/V·ρ_в]·100 %                        (11)

где В_v – водопоглощение по объему, %;

   В_m – водопоглощение по массе, %;

   m_н – масса материала, насыщенного водой, г;

   m_c – 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        (12)

В_v=d·В_m                                                                                             (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.

                                                              (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 Кн, 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 1оС.

λ=Q·a/(S·(t1-t2)·z)                                            (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:

 

                               (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, вызвавшей разрушение материала.

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

1.7.1 Предел прочности при сжатии:

                                                    (17)

где Rсж – предел прочности при сжатии, кгс/см²;

   N – разрушающая нагрузка, кгс;

   F – площадь сечения образца, см²

1.7.2 Предел прочности при растяжении:

                                                (18)

где R_раст – предел прочности при растяжении, кгс/см²;

   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:

                                                           (19)

где   R_изг – предел прочности при изгибе, кгс/см²;

   М_изг – изгибающий момент, кгс см;

   W – момент сопротивления балки прямоугольного сечения, см³.

W=(b·h²)/6                                               (20)

где b – ширина образца, см;

   h – высота образца, см.

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

 

 

Рисунок 1.1 - Схема испытания на изгиб, при одной сосредоточенной нагрузке.

R_изг = М/W,    

М_изг = ,                                                         (21)

 

                                            (22)

 

     При двух сосредоточенных относительно опор нагрузках (рисунок 1.2):

 

Рисунок 1.2 - Схема испытания на изгиб при двух сосредоточенных нагрузках.

М_изг =                                       (23)

                          (24)

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).

D

d

 

 

 

 

Рисунок 1.3 - Схема испытания на твердость

 

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

 

НВ=2N∙9,8/[πD(D- )]                           (25)

где НВ – твердость, МПа;

d – диаметр отпечатка, мм;

D – диаметр шарика, мм;

N – нагрузка, Н

 

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                                          (26)

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

                       К_р=R_нас/R_сух                                                        (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                                                    (28)

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                                        (29)

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] = 1 Н = 10^-1 кгс = 10^-3 кН

[R] = 1 кгс/см² = 10⁵ Па = 10^-1 МПа