Черепок – изделие, получаемое после обжига
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ
ГПУ – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка
ГСИ – государственная система измерений
ГЦК – гранецентрированный куб
Др – дробимость
ЖБИ – железобетонные изделия
ЖБК – железобетонные конструкции
ККК – коэффициент конструктивного качества
КЛТР – коэффициент линейного температурного расширения
Минералы портландцементного клинкера:
C3S (алит) 3CaO·SiO2
С2S (белит) 2CaO·SiO2
С3А 3CaO·AL2О3
C4АF 4CaO·AL2О3 ·Fe2О3
МК – модуль крупности
ОЦК – объемно центрированный куб
НГ – нормальная густота
НВ – твердость по Бринеллю
ПВАД – поливинилацетатная дисперсия
ПЦ – портландцемент
ППЦ – пуццолановый портландцемент
СИ – средство измерений
Сроки схватывания вяжущего вещества:
Н схв – начало схватывания
К схв – конец схватывания
ССПЦ – сульфатостойкий портландцемент
ССШПЦ – сульфатостойкий шлакопортландцемент
ТВО – тепловлажностная обработка
ФВ – физическая величина
ШПЦ – шлакопортландцемент
ЮУрГУ – Южно-Уральский государственный университет
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом общего курса «Материаловедение» для студентов, обучающихся по строительным специальностям. По своему содержанию и направлению учебное пособие должно обеспечить углубленные знания по испытанию строительных материалов.
На кафедре «Строительные материалы» ЮУрГУ накоплен большой опыт организации и проведения учебно-исследовательских лабораторных работ по строительным материалам. Их цель – привить студентам навыки постановки, планирования и решения экспериментально-исследовательских задач. При этом реализуется принцип проблемного обучения, который дает возможность научить студентов не только методам квалификации качества основных строительных материалов по стандартным методикам их испытания, но и дать молодым специалистам практические навыки пот регулированию основных свойств материалов технологическими приемами и способами.
Учебные пособия по проведению исследовательских лабораторных работ выдержали пять изданий (1977, 1980, 1985, 1990 и 1995 г. г.). Необходимость нового издания вызвана отсутствием учебных пособий прежних лет издания, появлением новых строительных материалов и совершенствованию правил оценки качества строительных материалов.
В учебном пособии приведены научные основы строительного материаловедения во взаимосвязи со сведениями прикладного характера, касающимися материалов, изделий и конструкций.
Качество, долговечность и стоимость сооружений в большой мере зависят от правильного выбора и применения материалов. Для рационального использования строительных материалов, инженер-строитель должен знать свойства материалов и назначение каждого из них. Это дает возможность строителю: выбрать материал с соответствующими свойствами для каждой части сооружения с учетом эксплуатационной среды; правильно применить наилучшие приемы его обработки и укладки в сооружение; при необходимости заменить один материал на другой без ухудшения качества сооружения; организовать правильное транспортирование и хранение материала без снижения их качества.
Учебное пособие содержит темы лабораторных работ, соответствующие основным разделам Государственного образовательного стандарта по направлению «Строительство» и рабочим учебным программам по дисциплине «Материаловедение». В подготовке различных разделов учебного пособия участвовали преподаватели кафедры «Строительные материалы» ЮУрГУ: доц. Г.С. Семеняк (работы №№ 1, 2, 7, 12, 13, 15, 16, предисловие, введение, глоссарий), проф. В.В. Спасибожко (работы №№ 2, 5, 8, 17), проф. Б.Я. Трофимов (работа № 11), проф. И.Я. Чернявский (работа № 19), доц. М.Д. Бутакова (работы №№ 9, 10, 18, глоссарий), доц. В.М. Жестков (работа № 3), доц. А.С. Королев (работа № 14), доц. В.С. Малютин (работа № 3, 4), доц. М.И. Муштаков (работа № 6), доц. С.Н. Погорелов (работа № 20, глоссарий).
ВВЕДЕНИЕ
Производство строительных материалов и изделий отличается большим многообразием видов и широким ассортиментом продукции. Инженер-строитель должен уметь хорошо разбираться в обширной номенклатуре этой продукции, выбирать для конкретных условий применения наиболее эффективные и подходящие ее виды с учетом качественных показателей, владеть знаниями в области технологии строительных материалов, представлять физико-химическую сущность процессов переработки исходного сырья в готовый продукт.
Научиться оценивать качество материалов, находить возможные пути регулирования и управления этим качеством и уметь определить области рационального применения материалов в практике современного строительства можно только на основе глубокого изучения связи между составом, строением и свойствами материала. Наиболее полно и конкретно эта связь выявляется в ходе научно-исследовательских экспериментов, проводимых в лабораторных условиях, когда искусственно моделируются изменения составов сырьевых смесей, технологических параметров получения, показателей состояния материалов, имитируя их работу в различных условиях эксплуатации.
В ходе таких экспериментов получают зависимости типов: «состав-свойство», «состав-строение», «строение-свойство», «состояние-свойство», «технологический параметр-свойство» и др. Анализируя эти зависимости, проводят оптимизацию составов и режимов, выбор вида и количества добавок, прогнозируют изменение свойств материалов в зависимости от условий их работы и рекомендуют области применения этих материалов.
Для проведения лабораторных исследований необходима тщательная теоретическая и методическая подготовка студентов. Поэтому учебно-исследователь-ские лабораторные работы по основным темам и разделам дисциплины «Материаловедение» позволяют расширить, углубить и закрепить знания, полученные на лекционных и практических занятиях, и активизируют самостоятельную работу студентов.
Учебное пособие составлено таким образом, что в описании лабораторных работ по каждой теме содержатся:
общие сведения об изучаемом материале с формулировкой задач исследования;
цель исследовательской лабораторной работы;
порядок выполнения лабораторной работы;
описание методов испытаний материалов;
указания по составлению выводов и рекомендаций, которые могут быть получены в результате исследования;
тестовые контрольные вопросы для проверки подготовки студентов к лабораторным работам.
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ
Лабораторные занятия продолжительностью 2…4 часа проводятся с подгруппой студентов, состоящей из 8…16 человек, которые получают общее задание на исследовательскую работу. Части общего задания выполняют 4 звена по 2…4 человека в каждом.
Выполнению лабораторных работ предшествует собеседование по теоретическим и методическим вопросам, которые изучаются студентами самостоятельно. Для контроля подготовки студентов к работе используются контрольные вопросы в виде тестов, которые составлены по принципу многовариантного ответа. На каждый контрольный вопрос имеется 4 ответа и только один правильный.
При выполнении работ назначается дежурное звено студентов, которое несет ответственность за сохранение и исправность приборов, оборудования и инструментов. По окончании работ каждому звену необходимо привести в порядок свое рабочее место, сдать дежурным, которые, в свою очередь, сдают приведенную в порядок лабораторию лаборанту.
ОТБОР ПРОБ
Для определения качества материалов в лабораторных условиях испытывают, как правило, не весь материал, а лишь некоторую ее часть (средняя проба). Средней пробой называется небольшая часть материала, отбираемая определенным образом от его общей массы, материал при этом называется опробуемым. Свойства средней пробы должны полностью соответствовать свойствам испытываемого материала той партии, от которой она была отобрана.
Партией считается определенное количество материала (по массе, по объему, в штуках), которое определено соответствующими нормативными документами. В этих же документах регламентированы правила отбора и величина средней пробы для определения качества материала.
Пробы штучных материалов (кирпич, камни, блоки и т.п.) отбирают по нескольку штук из разным мест партии. Пробы сыпучих рыхлых материалов (песок, щебень, гравий, цемент, гипс) отбирают специальными щупами-пробоотборниками из каждого вида тары из разных мест по площади и глубине слоя. Это количество материала называется первичной средней пробой. В дальнейшем из нее отбирают среднюю лабораторную пробу путем сокращения ее объема до количества, достаточного для выполнения испытаний двукратной повторности. Чаще всего это делается путем квартования: тщательно перемешанную пробу насыпают на ровную площадку в виде правильного усеченного конуса, который делят на 4 равные части двумя взаимно пересекающимися плоскостями. Две противоположные части отбрасывают, а оставшиеся соединяют вместе. Перемешивают и, если это необходимо, опять подвергают квартованию до получения двойного количества лабораторной пробы. Одну половину пробы подвергают лабораторным испытаниям. А вторую половину пробы хранят как арбитражную.
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТЫ
Для определения физико-механических свойств изучаемых материалов применяют различное оборудование и инструменты.
Для определения линейных размеров применяют:
металлические линейки с погрешностью измерения 1 мм;
штангенциркули с погрешностью измерения 0,05 мм; (на рисунке 1 приведены примеры снятия показаний);
микрометры с погрешностью измерения 0,01 мм (рисунок 2);
микроскопы с погрешностью измерения 0,001 мм.
Рисунок 1 Штангенциркуль
Рисунок 2 Микрометр
1 скоба; 2 неподвижная плоскость; 3 подвижная плоскость;
4 винт; 5 стебель; 6 шкала; 7 гильза; 8 трещотка; 9 тормоз
Если измеряемый образец имеет форму куба или параллелепипеда, то каждую грань измеряют в трех местах по высоте. За окончательный размер каждой грани принимают среднее арифметическое трех измерений. Если образец имеет форму цилиндра, то его диаметр устанавливают как среднее арифметическое двух взаимно-перпендикулярных диаметров, измеренных посередине высоты цилиндра.
Для определения массы образцов или проб применяют весы. В зависимости от величины погрешности и определяемой массы взвешивание производится на весах различных типов:
торговые типа ВТЦ-10 с погрешностью измерения 5 г (цена деления 5 г, максимальный груз 10 кг);
лабораторные электронные типа ЕТ-600 с погрешностью измерения 0,02 г (дискретность отсчета 20 мг, максимальный груз 600 г);
квадрантные лабораторные ВЛКТ-5 с погрешностью измерения 0,01 г (максимальный груз 5 кг);
аналитические с погрешностью измерения 0,001 г и др.
Обязательное условие для всех типов весов – их постоянное место, с которого их переносить не разрешается. Весы устанавливаются по отвесу или уровню. Всякое взвешивание должно производиться в какой-нибудь таре, масса которой должна быть известна до начала взвешивания.
Для сушки образцов и проб строительных материалов применяются сушильные шкафы различных типов с температурой нагрева до 150 оС. Для автоматического поддержания заданной температуры сушильный шкаф должен быть снабжен терморегулятором.
Для определения прочностных показателей строительных материалов с разрушением образцов применяются механические, гидравлические или ручные прессы (рисунок 2).
Гидравлический пресс ВМ–3,5 (рисунок 3а) состоит из плиты основания 1 со стойками 3, которые удерживают траверсу 2 с верхней плитой 7, подвешенной на винте ручной подачи через шаровую опору. В силовой цилиндр пресса 4 плунжерным насосом 15 с гидроусилителем ГУ подается масло под давлением.
Приводом плунжерного насоса служит однофазный мотор 9 мощностью 0,95 кВт и редуктор с кривошипом 11. Все узлы маслонапорной системы (поз.9, 10, 15, ГУ и МВ) смонтированы на вертикальной раме между стойками пресса 3 справа (на рисунке монтажная рама не показана).
Перед началом испытаний образец 8 устанавливают на нижнюю плиту 6 так, чтобы разрушающая нагрузка была направлена вдоль геометрической оси образца. Верхнюю плиту прижимают к образцу винтом ручной подачи. Управление процессом испытания производится с помощью кнопок 21 («пуск/стоп»; «установка нуля» и «выбор скорости нагружения») выносного электронного пульта 18.
Пульт ПУ–5 (рисунок 3б) комплектуется тремя кабелями (Т, М и С). Пресс подключается к пульту двумя кабелями через два гнезда 22, расположенные на его задней стенке:
9-штырьковый микроразъем общего кабеля Т от тензодатчика 17 и микровыключателей МВ;
3-х фазную розетку кабеля М управления мотором 9.
В третье гнездо пульта (3-х штырьковую сетевую вилку) подключают отдельный кабель питания С электрической схемы пресса и пульта от внешней сети. Пульт защищен предохранителем ПП и имеет клавишу-выключатель сети ВС.
Испытания начинают подачей напряжения от сети (выключатель ВС) и нажатием кнопки «ПУСК-СТОП» (при закрытом вентиле сброса давления масла 14), а прекращение испытания – повторным нажатием кнопки «ПУСК-СТОП». Положение поршня в процессе испытания контролируется микровыключателями МВ и световыми индикаторами 20 (МАКС. и МИН.). После проведения испытания открывают вентиль сброса давления 14. Поршень опускается в исходное положение, а масло уходит в маслоприемник 12.
а) пресс гидравлический
|
б) выносной пульт
|
Рисунок 3 – Схема гидравлического пресса
В прессе ВМ–3.5 с тензоизмерителем усилия и электронной схемой измерения на табло пульта 19 (6-разрядный цифровой индикатор с ценой деления 0,1 кН) при испытании отражается текущая нагрузка сразу в кН, а ее максимальное значение Pмакс фиксируется и остается до нового цикла. Новый цикл испытаний начинают со сброса предыдущих показаний индикатора 19 на нуль кнопкой: «Установка нуля» и закрытия вентиля 14.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
В строительстве, начиная с производства строительных материалов и кончая возведением зданий и сооружений, используются измерения различных видов. Измеряют массу и плотность, силу и давление, температуру, параметры электрического тока и другие физические величины. Для измерения основных физических величин используют стандартные измерительные средства с известными метрологическими характеристиками и отработанной организацией поверочных работ. Применяемые измерительные средства имеют, как правило, некоторый запас по точности, т.е. погрешность измерения в 5…10 раз, а иногда в 20…30 раз меньше, чем заданный допуск на измеряемый параметр.
Однако при определении специальных свойств различных строительных материалов стандартные измерительные средства применяются в качестве вспомогательных в комплексе со специальными приборами, разработанными только для данного испытания. Точность определения заданного параметра при этом зависит, как правило, от ряда специальных операций, выполняемых при испытаниях.
Большинство методов и средств испытаний строительных материалов регламентированы только строительными стандартами и не проходили метрологическую экспертизу. Например, при определении подвижности и жесткости бетонной смеси, морозостойкости бетона, прочности бетона с использованием неразрушающих методов погрешность измерений остается неизвестной и допуск на определяемый параметр, как правило, не задан.
При определении наиболее ответственных функциональных параметров, например, прочности бетона при разрушении контрольных образцов-кубов, учитываются возможные отклонения от значений, полученных при испытании. Область технологического рассеивания результатов здесь изучена хорошо. Погрешность стандартного измерительного средства (пресса) ничтожно мала по сравнению с рассеиванием, связанным с неоднородностью материала, и не учитывается при расчете гарантированной прочности.
Измерения – один из важнейших путей познания природы человеком. Наука и промышленность не могут существовать без измерений. Диапазон измеряемых величини их количество постоянно растут. При этом возрастает и сложность измерений. Измерительная технология как последовательность действий направлена на получение информации требуемого качества.
Значимость измерений – вторая причина важности измерений. Основа любой формы управления, анализа, прогнозирования или регулирования – достоверная исходная информация, которая может быть получена лишь путем измерения требуемых физических величин, параметров и показателей. Только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений. Современные науки и техника позволяют выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми с затратами на исполнительные операции.
В основе измерения физических величин ФВ лежит метрология – наука об измерениях, об обеспечении их единства, о методах и средствах достижения требуемой точности.
Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Основные статьи Закона РФ “Об обеспечении единства измерений” устанавливают: организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений; нормативные документы по обеспечению единства измерений; единицы величин и государственные эталоны единиц величин; средства и методики измерений.
Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Средство измерений – техническое устройство, предназначенное для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой ФВ. Средство измерений обобщенное понятие, объединяющее самые разнообразные конструктивно законченные устройства, обладающие одним из двух признаков: вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины и воспроизводят величину заданного размера (таблица 1).
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта, которая обусловливает его различие или общность с другими объектами и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство – категория качественная. Для количественного выражения вводится понятие величины. Величина не существует сама по себе и имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выражаемыми данной величиной.
Физическая величина – характеристика свойства физического объекта, общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.
Размер ФВ (числовое значение) – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию ФВ. Например, каждое тело имеет свою массу и тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас ФВ.
Значение ФВ–это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц
Единица ФВ (единица измерения) – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1. Она применяется для количественного выражения однородных физических величин. Размер единиц ФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими организациям государства.
Таблица 1 – Средства измерений, применяемые в строительстве
| Типовые средства измерений | Измеряемые параметры |
| Линейки, метры, рулетки, микроскопы, штангенциркули, скобы. Спектрофотометры, светодальномеры, оптические дальномеры, щупы оптические и т.д. | Линейные и угловые величины: механические; оптические |
| Интерферометры, профилографы, микронивелиры, лекальные линейки, плоскомеры, контрольные рейки, уровни, автоколлиматоры | Отклонения формы поверхности, плоскостности, прямолинейности |
| Весы, гири | Масса |
| Прессы, копры, динамометры, твердомеры, силоизмерительные машины, склерометры | Прочность, твердость, сила, износоустойчивость |
| Пикнометры, ареометры, денсиметры, приборы неразрушающего контроля | Плотность |
| Вискозиметры, дуктилометры, конусы, пенетрометры | Вязкость |
| Термометры ртутные и сопротивления, термопары | Температура |
| Дилатометры, колориметры | Теплофизические величины |
| Влагомеры, психрометры, рефрактометры, поляризационные микроскопы | Влажность, показатели преломления |
| Шумомеры, виброметры | Акустические величины |
| Амперметры, вольтметры, омметры, конденсаторы | Электрические величины |
| Часы, секундомеры, реле времени, вибрографы, частотомеры | Время и частота |
| Виброметры, вибростенды, тахометры, анемометры | Параметры движения |
| Расходомеры, счетчики, дозаторы, меры вместимости | Расход и количество |
| Манометры, напорометры, тягомеры | Давление |
| Климатические камеры, разрывные, усталостные, универсальные машины, вибростенды | Испытания материалов, изделий и конструкций |
При проведении измерений следует учитывать номинальные значения физических величин при нормальных условиях (таблица 2).
В случае отклонений от этих условий следует вводить поправку на систематическую погрешность измерений.
Основная физическая величина – ФВ, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.
Система физических величин – совокупность физических величин, связанных между собой зависимостями.
Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами. Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц ФВ. В РФ используется система единиц средств измерений “Systeme International unites”, введенная ГОСТ 8.417 “ГСИ. Единицы физических величин”. В русской транскрипции она приняла аббревиатуру СИ.
Таблица 2 Номинальные значения ряда физических величин
| Влияющая величина | Значение |
| Температура для всех видов измерений, оС (К) | 20 (293) |
| Давление окружающего воздуха для измерения ионизирующих излучений, теплофизических, температурных, магнитных, электрических измерений, измерения давления и параметров движения, кПа (мм рт. ст.) | 100 (750) |
| Давление окружающего воздуха для линейных, угловых измерений, измерения массы, силы света и измерений в других областях, кроме указанных выше, кПа (мм рт. ст.) | 101,3 (760) |
| Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерения массы, измерений в спектроскопии, % | |
| Относительная влажность воздуха для измерения электрического сопротивления, % | |
| Относительная влажность воздуха для измерений температуры, силы твердости, переменного электрического тока, ионизирующих излучений, параметров движения, % | |
| Относительная влажность воздуха для всех видов измерений, кроме указанных выше, % | |
| Плотность воздуха, кг/м3 | 1,2 |
| Ускорение свободного падения, м/с2 | 9,8 |
| Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (В/м) для измерений параметров движения, магнитных и электрических величин | |
| Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (В/м) для всех видов измерений, кроме указанных выше | Соответствует характеристикам поля Земли в данном географическом районе |
| Частота питающей сети переменного тока, Гц | 50 ± 1 |
| Среднеквадратичное значение напряжения питающей сети переменного тока, В | 220 ± 10 |
Различают системные и внесистемные единицы измерений.
К системным единицам измерений относятся:
основные или условно независимые единицы измерений – 7 наименований(длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света);
производные или условно зависимые единицы измерений - 18 наименований (частота, сила, давление, энергия, мощность, количество электричества, электрическое напряжение, электрическая емкость, электрическое сопротивление, электрическая проводимость, поток магнитной индукции, магнитная индукция, индуктивность, световой поток, освещенность, активность радионуклида, поглощенная доза ионизирующего излучения, эквивалентная доза излучения) Производные единицы могут быть когерентными (связанные с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице, например, скорость) и некогерентными, в уравнении которого содержится числовой коэффициент, отличный от единицы. Для преобразования в когерентную единицу следует подставлять величины со значениями в единицах средств измерений, дающие после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное единице.
дополнительные единицы измерений – 2наименования(плоский угол, телесный угол).
К внесистемным единицам измерений относятся:
единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ (тонна, градус, минута, час, сутки, секунда, литр);
единицы, допускаемые к применению в специальных областях (морская миля, карат, мм. рт. ст., л. с., световой год, парсек, диоптрия, астрономическая единица, гектар, электрон-вольт, вольт-ампер, реактивная мощность, атомная единица массы и некоторые другие).
Различают кратные и дольные единицы физических величин. Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Дольная единица единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы (таблица 3).
Таблица 3 – Множители и приставки для образования десятичных
кратных и дольных единиц и их наименований
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | Множитель | Приставка | Обозначение приставки | ||
| международное | русское | международное | русское | ||||
| 1018 | экса | Е | Э | 10-1 | деци | d | д |
| 1015 | пета | Р | П | 10-2 | санти | c | с |
| 1012 | тера | Т | Т | 10-3 | милли | m | м |
| 109 | гига | G | Г | 10-6 | микро | мк | |
| 106 | мега | M | М | 10-9 | нано | n | н |
| 103 | кило | k | к | 10-12 | пико | p | п |
| 102 | гекто | h | г | 10-15 | фемто | f | ф |
| 101 | дека | da | да | 10-18 | атто | а | а |
Когерентная производная единица физической величины – производная единица, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1.
Конечная цель измерения–получение количественной информации об объекте измерения.
Объект измерения – реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми величинами. Одна из них – это ФВ, подлежащая определению в соответствии с измеряемой задачей.
Измерение – последовательность сложных и разнородных действий по отношению к объекту измерения.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Перед началом работ преподаватель проводит общий инструктаж по технике безопасности проведения лабораторных работ. Студенты, получившие инструктаж, должны расписаться в специальном журнале. После этого, они допускаются к проведению лабораторных работ и при этом обязуются выполнять следующие правила:
перед началом занятий ознакомиться с заданием, применяемым оборудованием, инструментом и материалами;
немедленно сообщить преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях и нарушениях правил техники безопасности;
не трогать, не включать без разрешения преподавателя или лаборанта рубильники, пускатели и другие электрические приборы и оборудование;
при выполнении работ использовать защитную рабочую одежду (халаты, фартуки), имеющиеся в лаборатории;
выполнять в лаборатории только ту работу, которая поручена, не загромождать свое рабочее место оборудованием и материалами, не относящимися к выполняемой работе;
запрещается оставаться в лаборатории одному, обязательное присутствие второго лица необходимо для оказания помощи при несчастном случае, пожаре и т.п.;
если произошел несчастный случай, немедленно сообщить об этом преподавателю или лаборанту для оказания помощи и составления акта.
ОТЧЕТ
После выполнения лабораторной работы каждый студент (звено) составляет отчет в специальной тетради (журнале). В отчет рекомендуется включать:
наименование и цель работы;
краткие общие сведения об исследуемом материале и технические требования к нему;
краткое описание выполненной работы, используемых приборов и оборудования, методик испытаний;
результаты исследований, полученных всей подгруппой, в виде сводных таблиц и графических зависимостей;
анализ результатов работы с общими выводами и рекомендациями.
Защита лабораторных работ осуществляется по мере завершения отдельных работ или на итоговом занятии.
Студенты, пропустившие занятия, должны отработать их в конце семестра по графику.
Лабораторная работа № 1
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Общие сведения
Природными каменными материалами называют строительные материалы, получаемые из горных пород путем механической обработки или без нее. Под механической обработкой понимают процессы, направленные на изменение формы и размеров массивных горных пород путем раскалывания, дробления, распиливания, шлифования, полирования, просеивания и т.д. Получаемые при этом строительные материалы почти полностью сохраняют свойства исходной горной породы. Природные каменные материалы обладают рядом ценных строительно-технических свойств: прочность, твердость, морозостойкость, водостойкость, декоративность и др.
В таблице 4 приведены сведения о применении горных пород в строительстве.
Таблица 4 Применение горных пород в строительстве
| Область применения | Наименование породы | Метод переработки |
| Бутовый камень | Гранит, известняк. диорит, песчаник | Взрыв, выломка, раскалывание |
| Камни для гидросооружений | Гранит, диорит, диабаз, габбро | Взрыв, выколка, распиливание |
| Бортовые камни, булыжник, брусчатка | Гранит, диорит, диабаз, габбро | Раскалывание, вытесывание |
| Камни и блоки для кладки стен | Пористые известняки, известняки-ракушечники | Распиливание |
| Плиты и камни для облицовки стен | Гранит, габбро, лабрадорит, мрамор, кварцит, магнезит | Распиливание, полирование, раскалывание, шлифование |
| Щебень | Гранит, диорит | Дробление, рассев |
| Гравий | Рыхлые залежи гравия | Просеивание |
| Песок | Рыхлые залежи песка | Просеивание |
| Вяжущие вещества | Глина, известняк, гипс, мергель, магнезит, доломит | Дробление, помол, обжиг |
| Керамика | Глина | Помол, обжиг |
| Каменное литье | Гранит, диорит, диабаз, габбро | Измельчение, плавление, литье |
Для оценки свойств природных каменных материалов и выбора области их применения необходимо знать свойства и строение исходных горных пород и слагающих их природных минералов.
Природные минералы – образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свойства.
В земной коре более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство их них встречаются редко и лишь немногие (около 100) встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.
Структура минералов. Природные минералы в большинстве имеют кристаллическое строение, и лишь некоторые – аморфное. Минералы обладают однородностью строения, состава и свойств. Свойства кристаллических минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропность) или разными по различным направлениям (анизотропность). Аморфные минералы не имеют кристаллической решетки и по своим свойствам они изотропны. Для них характерна неправильная внешняя форма.
Химический состав минералов. Каждый минерал имеет свой химический состав. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют различное внутренне строение, а, следовательно, и различную внешнюю форму.
Физические свойства минералов. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Для строительной отрасли необходимо учитывать такие свойства как: цвет, прозрачность, блеск, спайность, плотность, твердость,
По цвету минералы делятся на две группы: светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит) и темные (роговая обманка, авгит).
По способности пропускать свет через свою толщу минералы делятся на три группы: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон) и непрозрачные (пирит, графит).
По блеску (способности поверхности отражать свет в различной степени) минералы делятся на несколько групп: стеклянные (силикаты), жирные (тальк), шелковистые (асбест) и др.
По спайности (способности раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных плоскостей - плоскостей спайности), минералы делятся на следующие группы:
минералы, имеющие весьма совершенную спайность (минералы легко расщепляются по плоскостям спайности);
минералы, имеющие совершенную спайность (минералы практически всегда раскалываются по плоскостям спайности);
минералы, имеющие несовершенную спайность (раскалывание минералов не всегда проходит по плоскостям спайности);
минералы, у которых спайность отсутствует (минералы при раскалывании образуют неровные поверхности).
По плотности минералы делятся на три группы: тяжелые ( > 4,0 г/см3), средние ( = 2,5…4,0 г/см3) и легкие ( < 2,5 г/см3).
По твердости (способности минералов противостоять внедрению в него другого более твердого тела) минералы делятся на четыре группы: мягкие, средние, твердые и очень твердые (таблица 5).
Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального составов, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.
Таблица 5 Твердость природных минералов *
| Эталонный минерал, химическая формула | Твердость по шкале Мооса | Микротвердость, МПа | Визуальные признаки | Группа по твердости |
| Тальк, 3MgO4SiO2H2O | Легко чертится ногтем | Мягкие | ||
| Гипс, CaSO42H2O | Чертится ногтем | То же | ||
| Кальцит, СаСО3 | Легко чертится стальным ножом | Средней твердости | ||
| Флюорит (плавиковый шпат), CaF2 | Чертится стальным ножом под нажимом | То же | ||
| Апатит Ca5(PO4)3(F,ОН,CL)2 | С трудом царапается стальным ножом | То же | ||
| Ортоклаз, K2OAL2O36SiO2 | Царапает стекло при сильном нажиме | Твердые | ||
| Кварц, SiO2 | Чертит стекло | То же | ||
| Топаз, AL2O3SiO2 H2O | Режет стекло | Очень твердые | ||
| Корунд, AL2O3 | Чертит топаз | То же | ||
| Алмаз, С | Чертит корунд | То же |
* на практике часто используются такие эталоны твердости, как мягкий карандаш – 1; ноготь – 2,5; медная монета – 3,5; стекло – 5; лезвие ножа – 5,5.
Горные породы чаще всего состоят из нескольких минералов (полиминеральные горные породы). В отдельных случаях они состоят из одного минерала и называются мономинеральными (гипс, ангидрит, мрамор, кварцит и др.). Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается химическим анализом.
Большое разнообразие (около 1000) горных пород удобно и логично изучать, если их классифицировать по условиям образования (генетическая классификация), т.к. именно условия образования определяют формирование структуры, строения и свойств горных пород, а, следовательно, и природных каменных материалов.
По генезису горные породы делят на 3 большие группы (таблица 6).
Таблица 6 Генетическая классификация горных пород
| 1 Магматические породы (магматиты) | Процессы выветривания | 2 Осадочные породы | |
| 1.1 Глубинные (интрузивные): гранит, сиенит, диорит, габбро, лабрадорит | 2.1 Механические отложения (обломочные) | ||
| 1.2 Излившиеся (эффузивные) | 2.1.1 Рыхлые: глины, пески, гравий | ||
| а) плотные: кварцевый порфир, бескварцевый порфир, трахит, порфирит, андезит, диабаз, базальт | 2.1.2 Цементированные: песчаник, конгломерат, брекчия | ||
| б) пористые (вулканические) | 2.2 Химические осадки: гипс, ангидрит, магнезит, доломит, известковый туф, некоторые известняки | ||
| рыхлые: вулканический пепел, вулканический песок, пемза | 2.3 Органогенные отложения: мел, большинство известняков, ракушечник, диатомит, трепел | ||
| цементированные: вулканическая лава, туф, трассы | |||
| Процессы глубокого преобразования (метаморфизм) | |||
| 3 Метаморфические породы | |||
| 3.1 Измененные изверженные породы (гнейсы) | 3.2 Измененные осадочные породы: мрамор, кварцит, глинистые сланцы | ||
Магматические горные породы образовались в результате охлаждения и застывания магмы (огненно-жидкого природного силикатного расплава). Многообразие пород этой группы обусловлено различиями в химическом составе магмы и условиях ее остывания и затвердевания.
Осадочные горные породы образовались в результате процессов выветривания первичных магматических горных пород (механические отложения), выпадения из водных растворов химических осадков (химические осадки) и накопления и преобразования остатков животного мира и растений (органогенные отложения).
Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных горных пород под действием повышенных температур и давлений. При этом возможно перекристаллизация минералов, изменение строения и даже изменение химического состава.
Основные характеристики горных пород приведены в таблицах 7..9
Правильный выбор области применения природных каменных материалов в строительстве основывается на подробных сведениях о составе, структуре, строении и основных свойствах исходных горных пород, которые зависят от условий их образования. Особо значение следует уделять долговечности горных пород (таблица 10)
Таблица 10– Классификация горных пород по долговечности
| Группа | Горные породы | Появление признаков разрушения, лет |
| Весьма долговечные | Кварцит, мелкозернистый гранит | 500-650 |
| Долговечные | Крупнозернистый гранит, сиенит, габбро, лабрадорит | 200-250 |
| Относительно долговечные | Белый мрамор, плотный известняк, плотный песчаник | 100-150 |
| Недолговечные | Цветной мрамор, известняк, гипс | 25-75 |
Цель работы
Исследовать основные свойства природных каменных материалов и изучить их зависимость от условий образования, состава, структуры и состояния исходных горных пород. Определить области применения изучаемых горных пород в строительстве.
Порядок выполнения работы
Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания:
определяет истинную плотность горной породы пикнометрическим методом;
определяет среднюю плотность горной породы;
рассчитывает пористость горной породы;
определяет водопоглощение горной породы.
В качестве объектов исследований рекомендуется выдача образцов горных пород, принадлежащих к различным генетическим группам.
Таблица 7 Основные характеристики магматических горных пород
| SiO2 , % * | Интрузивные породы | Эффузивные породы | Минералы | Плотность, г/см2 | Предел прочности при сжатии, МПа |
| Кислые, > 65 | Граниты | Кварцевый порфир, липарит | Кварц, полевой шпат, слюда | 2,6…2,7 | 100…250 |
| Средние, 50…65 | Сиениты | Бескварцевый порфир, трахит | Полевой шпат, слюда, темноокрашенные | 2,6…2,8 | 120…250 |
| Диориты | Андезит, базальт, порфирит | Полевой шпат, темноокрашенные | 2,8…3,0 | 150…300 | |
| Основные, 40…50 | Габбро, лабрадор | Диабаз, базальт | Полевой шпат, темноокрашенные | 2,9…3,3 | 200…500 |
| Ультраосновные, < 40 | Дуниты, передотиты, пироксениты | ** | Оливин, пироксен, авгит, руды | 3,2…4,4 | 250…650 |
* увеличение количества SiO2 влечет увеличение плотности, прочности и потемнение цвета
** аналоги неизвестны
Таблица 8 Основные характеристики осадочных горных пород
| Подгруппа по генезису | Название | Главные породообразующие минералы | Структура | Средняя плотность, г/см3 | R сж, МПа | Пористость, % |
| Механические рыхлые | песок кварцевый | кварц | рыхлые скопления кристаллических зерен кварца | 1,55-1,60 | ||
| гравий | - | рыхлые скопления частиц горной породы | 1,45-1,55 | |||
| глина | каолинит | рыхлые скопления глинистых минералов | 2,55-2,60 | |||
| Механические сцементированные | песчаник | кварц | зерна кварца, сцементированные природным цементом | 2,30-2,60 | До 300 | 0,2-2,5 |
| Химические осадки | известняк плотный | кальцит | тонкозернистая, плотная | 1,70-2,60 | До 100 | Менее 30 |
| мергель | кальцит, каолинит | тонкозернистая | 1,80-2,20 | То же | ||
| гипс | гипс | пластинчатая, волокнистая, зернистая | 2,30 | До 50 | ||
| Органогенные отложения | известняк-ракушечник | кальцит | тонкозернистая пористая | 0,90-2,00 | 2-12 | 6-40 |
| диатомит, трепел | Опал | Слабосцементированная, высокодисперсная | 0,35-0,95 |
Таблица 9 Основные характеристики метаморфических горных пород
| Название | Главные породообразующие минералы | Структура | Средняя плотность, г/см3 | R сж, МПа | Пористость, % |
| Мрамор | кальцит, доломит | кристаллическая зернистая | 2,60-2,80 | 120-300 | 0,1-0,7 |
| Кварцит | кварц | То же | 2,50-2,70 | 250-400 | Менее 0,2 |
| Гнейс | полевой шпат, кварц, слюда | кристаллическая зернистая, сланцевая | 2,60-2,80 | 100-280 | 0,1-1,0 |
| Глинистые сланцы | каолинит, слюда | То же | 2,40-2,70 | До 200 | Менее 30 |
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1 Определение истинной плотности горной породы
Отбирают пробу горной породы и для ликвидации пор и других дефектов структуры ее дробят. а затем размалывают в фарфоровой или агатовой ступке до размера зерен менее 0,2 мм. Приготовленный порошкообразный материал высушивают в термостате при температуре 105…110 оС до постоянной массы, взвешивают с погрешностью 0,01 г, а затем охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры.
От подготовленной пробы берут навеску массой около 10 г, высыпают ее в чистый предварительно взвешенный пикнометр (рисунок 4).
Рисунок 4 – Пикнометр
Пикнометр с навеской взвешивают с погрешностью 0,01 г, заливают на 2/3 объема дистиллированной водой и ставят на песчаную баню. Осторожным кипячением в течение 15…20 минут удаляют из навески материала воздух. После кипячения пикнометр с содержимым охлаждают до комнатной температуры в ванне с водой. Пикнометр тщательно вытирают снаружи, доливают до черты (по нижнему мениску) дистиллированную воду и взвешивают с погрешностью 0,01 г, определяя массу пикнометра с водой и навеской. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, заполняют до черты дистиллированной водой комнатной температурой и вновь взвешивают с погрешностью 0,01 г, определяя массу пикнометра с водой.
Истинная плотность вещества горной породы определяют по формуле
(m2-m1) воды
в-ва = , (1)
m4 + (m2 - m1) - m3
где в-ва истинная плотность вещества, г/см3; m1 – масса сухого чистого пикнометра, г; воды плотность воды, г/см3; m2 масса пикнометра с навеской, г; m3 масса пикнометра с водой и навеской, г; m4 – масса пикнометра с водой, г.
Определение истинной плотности вещества горной породы проводят дважды, пока расхождение между двумя параллельными результатами не будет превышать 0,02 г/см3.
2 Определение плотности образцов горных пород
Для каждой горной породы отбирают по 3 образца неправильной формы. Образцы высушивают в термостате при температуре 105…110 оС до постоянной массы и после остывания в эксикаторе взвешивают с погрешностью 0,01 г. Затем на каждый образец с помощью кисти наносят тонкий слой расплавленного парафина так, чтобы была покрыта вся поверхность. Дав парафину застыть, образцы снова взвешивают и перевязывают прочной нитью. Используя известные формулы, определяем массу парафина.
Объем образца, покрытого слоем парафина, определяют при помощи объемомера (рисунок 5), который предварительно заполняют водой до уровня слива. Парафинированный образец на нитке опускают в объемомер, а вытесненная жидкость стекает в стакан 4 (мерный цилиндр 3). Водонепроницаемый слой парафина препятствует впитыванию воды, что превышает точность определения объема образца.
Из установленного таким образом объема образца с парафином необходимо вычесть объем, занимаемый парафином. Плотность парафина равна 0,93 г/см3.
Плотность образца горной породы подсчитывают как частное от деления массы образца в сухом состоянии на его объем:
m1 m1
г.п = = , г/см3 (2)
V обр m2-m1 m2 - m1
воды пар
где г. п плотность горной породы, г/см3; m1 – масса образца горной породы в сухом состоянии, г; V обр объем образца, см3; воды плотность воды, г/см3; m2 масса образца горной породы, покрытого слоем парафина, г; m3 масса образца горной породы, покрытого слоем парафина в воде, г; пар плотность парафина, г/см3.
 Рисунок 5 Объемомер
|
1 – объемомер, 2 – образец, 3 – мерный цилиндр, 4 стакан
Плотность горной породы вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 3 образцов.
Результаты определения истинной плотности и плотности горной породы в куске сравнивают с данными приложений 4…6. Резкие отклонения экспериментальных данных от табличных свидетельствуют о неправильном проведении лабораторных испытаний.
3 Определение пористости горных пород
Пористость, характеризующая степень заполнения объема образца горной породы порами, подсчитывают в процентах по установленным величинам истинной плотности и средней плотности по формуле
p = (1 езультатыРезультаты
( г.п/ в-ва)100 %, (3)
где p пористость горной породы, %; г.п – плотность горной породы, г/см3; в-ва истинная плотность вещества горной породы, г/см3.
4 Определение водопоглощения горных пород
От горной породы отбирают по 3 образца, которые после предварительного высушивания взвешивают с погрешностью 0,01 г. Насыщение водой производят при кипячении в течение 1 часа. Уровень воды в сосуде должен быть выше уровня верха образцов не менее чем 2 см. После кипячения образцы охлаждают до комнатной температуры путем доливания в сосуд холодной воды. Затем образцы поочередно вынимают из воды, обтирают влажной тканью и взвешивают.
Водопоглощение образца определяют по массе поглощенной им воды в процентах от массы сухого образца
W m = (m нас m сух)/m сух .100 %, (4)
где W m водопоглощение образца по массе, %; m нас – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; m сух – масса сухого образца, г.
Показатель водопоглощения горной породы подсчитывают как среднее арифметическое результатов испытаний 3 образцов.
Выводы по работе
На основе анализа результатов исследований, полученных всей подгруппой и оформленных в отчете в виде сводной таблицы, необходимо сделать заключение о зависимости показателей плотности, пористости, водопоглощения от их состава, строения и условий образования.
Составить аргументированные рекомендации по изготовлению строительных материалов и изделий из этих горных пород и применению их в строительстве.
Контрольные вопросы
1 Что произойдет с кварцем и кварцсодержащими горными породами при нагревании до 600 оС?
1 Разрушатся.
2 Расплавятся.
3 Сгорят.
4 Ничего ее произойдет.
2 Назовите представителя природных каменных материалов из магматических горных пород.
1 Мрамор.
2 Гранит.
3 Известняк.
4 Мел.
3 Назовите представителя природных каменных материалов из осадочных горных пород.
1 Мрамор.
2 Гранит.
3 Известняк.
4 Сиенит.
4 Назовите представителя природных каменных материалов из метаморфических горных пород.
1 Мрамор.
2 Гранит.
3 Известняк.
4 Мел.
5 Определите формулу породообразующего минерала кальцита.
1 CaSO4.
2 CaCO3MgCO3.
3 CaCO3.
4 Ca(HCO3)2.
6 Какие магматические горные породы называют аналогами?
1 Горные породы с одинаковой степенью закристаллизованности.
2 Горные породы, образовавшиеся из магмы с одинаковым химическим составом, но при различных условиях охлаждения и затвердевания.
3 Горные породы, содержащие кремнезем.
4 Горные породы с одинаковой пористостью.
7 Назовите представителя породообразующих минералов из группы сульфатов.
1 Кварц.
2 Ангидрит.
3 Доломит.
4 Кальцит.
8 На какие основные группы подразделяют горные породы согласно генетической классификации?
1 Рыхлые, обломочные, сцементированные.
2 Магматические, органогенные, глубинные.
3 Полнокристаллические, скрытокристаллические, аморфные.
4 Магматические, осадочные, метаморфические.
9 Назовите факторы, вызывающие метаморфизм горных пород.
1 Процессы физического выветривания и химического разложения.
2 Химические и биологические процессы.
3 Действие высоких температур и больших давлений газов и растворов.
4 Процессы аморфизации структуры.
10 Какие условия являются благоприятными для процесса кристаллизации магмы и формирования полнокристаллического строения горных пород?
1 Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.
2 Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.
3 Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.
4 Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.
11 Какие условия являются благоприятными для процесса аморфизации магмы и формирования аморфной структуры горных пород?
1 Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.
2 Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.
3 Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.
4 Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.
12 Назовите представителя породообразующих минералов из группы алюмосиликатов.
1 Полевые шпаты.
2 Ангидрит.
3 Гипс.
4 Известняк.
13 Почему мрамор не рекомендуется применять для наружной облицовки зданий и сооружений?
1 Вследствие его низкой плотности и малой морозостойкости.
2 Мрамор теряет свои декоративные свойства вследствие коррозии.
3 Под действием солнечной радиации мрамор темнеет.
4 Мрамор плохо поддается механической обработке из-за высокой прочности и твердости.
14 Для чего горную породу измельчают в тонкий порошок при определении истинной плотности?
1 Для того, чтобы разрушить кристаллическую решетку.
2 Для ликвидации пор и дефектов строения горной породы с целью получения объема абсолютно плотного материала.
3 Для удобства помещения пробы материала в пикнометр.
4 Для того, чтобы навеску взвесить с погрешностью 0,01 г.
15 С какой целью образцы неправильной формы покрывают слоем парафина при определении плотности образцов горной породы?
1 Для придании образцам правильной геометрической формы.
2 Для правильного определения объема образца и создания водонепроницаемого слоя на поверхности образца.
3 Для снижения доли открытых пор в объеме образца.
4 С целью улучшения санитарно-гигиенических условий.
Лабораторная работа № 2
СТРОИТЕЛЬНАЯ ДРЕВЕСИНА
Общие сведения
Д