Строительное материаловедение: учебное пособие для выполнения исследовательских лабораторных работ / Г.С. Семеняк, В.В. Спасибожко, Б.Я. Трофимов, М.Д. Бутакова и др.; отв. ред. Г.С. Семеняк. − 6-е изд., перераб. и доп. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2007. − 248 с.

1
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Южно-Уральский государственный университет»
Кафедра строительных материалов
691(07)
У912
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
для выполнения исследовательских лабораторных работ
Издание шестое,
Переработанное и дополненное
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
2007
2
УДК 691(075.8) + 620.22(075.8)
Строительное материаловедение: учебное пособие для выполнения исследовательских лабораторных работ / Г.С. Семеняк, В.В. Спасибожко, Б.Я. Трофимов,
М.Д. Бутакова и др.; отв. ред. Г.С. Семеняк. − 6-е изд., перераб. и доп. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2007. − 248 с.
Рассмотрены общие сведения по научно-техническим основам производства,
формированию структуры строительных материалов и представлен учебный материал по каждому их изучаемых разделов.
Сформулированы цели и задачи экспериментальных лабораторных испытаний
основных строительных материалов и приведены методики их поведения, указан
порядок выполнения работ и рекомендации по составлению выводов. В конце
каждой темы приведены тестовые вопросы для контроля подготовки студентов.
Учебное пособие содержит лабораторные работы по следующим темам:
− природные каменные материалы;
− строительная древесина;
− керамические материалы;
− минеральные вяжущие вещества и материалы на их основе;
− строительные растворы;
− органические вяжущие вещества;
− металлы и сплавы на их основе;
− лакокрасочные материалы.
Учебное пособие не претендует на замену учебников по данной дисциплине и
является дополнением к ним.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по строительным специальностям.
Ил. 62, табл. 61, библиогр. − 47 назв.
Одобрено учебно-методической комиссией архитектурно-строительного факультета.
Рецензенты:
Издательство ЧПИ, 1977
Издательство ЧПИ, 1980
Издательство ЧПИ, 1985
Издательство ЧГТУ, 1990
Издательство ЧГТУ, 1995
Издательство ЮУрГУ, 2007
3
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
4
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).
5
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 научноисследовательских 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.
6
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.
7
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
8
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;
9
− 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
10
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
величин и 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.
11
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.
12
Таблица 1 – Средства измерений, применяемые в строительстве
Типовые средства измерений
Линейки, метры, рулетки, микроскопы, штангенциркули, скобы. Спектрофотометры, светодальномеры, оптические дальномеры, щупы оптические и т.д.
Интерферометры, профилографы, микронивелиры, лекальные
линейки, плоскомеры, контрольные рейки, уровни, автоколлиматоры
Весы, гири
Прессы, копры, динамометры, твердомеры, силоизмерительные машины, склерометры
Пикнометры, ареометры, денсиметры, приборы неразрушающего контроля
Вискозиметры, дуктилометры, конусы, пенетрометры
Термометры ртутные и сопротивления, термопары
Дилатометры, колориметры
Влагомеры, психрометры, рефрактометры, поляризационные
микроскопы
Шумомеры, виброметры
Амперметры, вольтметры, омметры, конденсаторы
Часы, секундомеры, реле времени, вибрографы, частотомеры
Виброметры, вибростенды, тахометры, анемометры
Расходомеры, счетчики, дозаторы, меры вместимости
Манометры, напорометры, тягомеры
Климатические камеры, разрывные, усталостные, универсальные машины, вибростенды
Измеряемые параметры
Линейные и угловые величины: механические; оптические
Отклонения формы поверхности, плоскостности, прямолинейности
Масса
Прочность, твердость, сила,
износоустойчивость
Плотность
Вязкость
Температура
Теплофизические величины
Влажность, показатели преломления
Акустические величины
Электрические величины
Время и частота
Параметры движения
Расход и количество
Давление
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.
13
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 излуче100 (750)
ний, теплофизических, температурных, магнитных, электрических измерений, измерения давления и параметров движения, кПа (мм рт. ст.)
Давление окружающего воздуха для линейных, угловых измерений, из101,3 (760)
мерения массы, силы света и измерений в других областях, кроме указанных выше, кПа (мм рт. ст.)
Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений,
58
измерения массы, измерений в спектроскопии, %
Относительная влажность воздуха для измерения электрического со55
противления, %
Относительная влажность воздуха для измерений температуры, силы
65
твердости, переменного электрического тока, ионизирующих излучений, параметров движения, %
Относительная влажность воздуха для всех видов измерений, кроме
60
указанных выше, %
Плотность воздуха, кг/м3
1,2
2
Ускорение свободного падения, м/с
9,8
Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля
0
(В/м) для измерений параметров движения, магнитных и электрических
величин
Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля Соответствует ха(В/м) для всех видов измерений, кроме указанных выше
рактеристикам поля
Земли в данном географическом районе
Частота питающей сети переменного тока, Гц
50 ± 1
Среднеквадратичное значение напряжения питающей сети переменного
220 ± 10
тока, В
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 измере-
14
ний, дающие после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное
единице.
− дополнительные единицы измерений – 2 наименования (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
1018
1015
1012
109
106
103
102
101
Приставка
экса
пета
тера
гига
мега
кило
гекто
дека
Обозначение при- Мноставки
житель
междурусское
народное
Е
Р
Т
G
M
k
h
da
Э
П
Т
Г
М
к
г
да
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Приставка
деци
санти
милли
микро
нано
пико
фемто
атто
Обозначение
приставки
между- русское
народное
d
д
c
с
m
м
μ
мк
n
н
p
п
f
ф
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.
15
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.
16
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 строительнотехнических 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
Бутовый камень
Наименование породы
Гранит, известняк.
диорит, песчаник
Камни для
Гранит, диорит, диабаз,
гидросооружений
габбро
Бортовые камни,
Гранит, диорит, диабаз,
булыжник, брусчатка габбро
Камни и блоки
Пористые известняки,
для кладки стен
известняки-ракушечники
Плиты и камни
Гранит, габбро, лабрадорит,
для облицовки стен
мрамор, кварцит, магнезит
Щебень
Гранит, диорит
Гравий
Рыхлые залежи гравия
Песок
Рыхлые залежи песка
Вяжущие вещества
Глина, известняк, гипс,
мергель, магнезит, доломит
Керамика
Глина
Каменное литье
Гранит, диорит, диабаз,
габбро
Метод переработки
Взрыв, выломка,
раскалывание
Взрыв, выколка,
распиливание
Раскалывание,
вытесывание
Распиливание
Распиливание, полирование,
раскалывание, шлифование
Дробление, рассев
Просеивание
Просеивание
Дробление, помол, обжиг
Помол, обжиг
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.
17
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 (ρ > 4,0 г/см3), средние (ρ = 2,5…4,0 г/см3) и легкие (ρ < 2,5 г/см3).
18
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
мине- Твердость
Микрорал,
химическая по
шкале тверформула
Мооса
дость,
МПа
Тальк,
1
24
3MgO4SiO2H2O
Гипс, CaSO42H2O
2
360
Кальцит, СаСО3
3
1090
Флюорит (плавиковый шпат), CaF2
4
1890
Апатит
Ca5(PO4)3(F,ОН,CL)2
Ортоклаз,
K2OAL2O36SiO2
5
5360
6
7967
Кварц, SiO2
Топаз,
AL2O3SiO2
H2O
Корунд, AL2O3
Алмаз, С
7
8
11200
14270
9
10
20600
100600
Визуальные
знаки
при- Группа по
твердости
Легко чертится
Мягкие
ногтем
Чертится ногтем
То же
Легко чертится
Средней
стальным ножом
твердости
Чертится стальным
То же
ножом под нажимом
С трудом царапает- То же
ся стальным ножом
Царапает стекло
Твердые
при сильном нажиме
Чертит стекло
То же
Режет стекло
Очень
твердые
Чертит топаз
То же
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.
19
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)
1.1 Глубинные (интрузивные):
гранит, сиенит, диорит, габбро, лабрадорит
1.2 Излившиеся (эффузивные)
↓ ↓ ↓
Процессы
выветривания
↓ ↓ ↓ ↓
2.1 Механические отложения
(обломочные)
↓
а) плотные: кварцевый порфир, бескварцевый порфир,
трахит, порфирит, андезит,
диабаз, базальт
б) пористые (вулканические)
2 Осадочные породы
2.1.1 Рыхлые: глины, пески,
гравий
2.1.2 Цементированные: песчаник, конгломерат, брекчия
2.2 Химические осадки: гипс,
ангидрит, магнезит, доломит,
известковый туф, некоторые
известняки
2.3 Органогенные отложения:
мел, большинство известняков,
ракушечник, диатомит, трепел
− рыхлые: вулканический пепел, вулканический песок,
пемза
− цементированные: вулканическая лава, туф, трассы
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Процессы глубокого преобразования (метаморфизм)
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
3 Метаморфические породы
3.1 Измененные изверженные породы 3.2 Измененные осадочные породы:
(гнейсы)
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
20
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,
200-250
габбро, лабрадорит
Относительно
Белый мрамор, плотный извест100-150
долговечные
няк, плотный песчаник
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.
21
Таблица 7− Основные характеристики магматических горных пород
SiO2 , % *
Кислые,
> 65
Интрузивные
породы
Эффузивные
породы
Минералы
Плотность,
г/см2
Предел прочности
при сжатии, МПа
Граниты
Кварцевый порфир, липарит
Кварц, полевой
шпат, слюда
2,6…2,7
100…250
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
Габбро, лабрадор
Диабаз, базальт
Полевой шпат, темноокрашенные
2,9…3,3
200…500
**
Оливин, пироксен,
авгит, руды
3,2…4,4
250…650
Средние,
50…65
Основные,
40…50
УльтраосДуниты, передоновные, < 40 титы, пироксениты
* − увеличение количества SiO2 влечет увеличение плотности, прочности и потемнение цвета
** − аналоги неизвестны
22
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
−
известнякракушечник
кальцит
тонкозернистая пористая
0,90-2,00
2-12
6-40
диатомит,
трепел
Опал
Слабосцементированная, высокодисперсная
0,35-0,95
−
−
Органогенные
отложения
23
Таблица 9 − Основные характеристики метаморфических горных пород
Название
Главные породообразующие минералы
Мрамор
кальцит, доломит
Кварцит
Гнейс
Средняя плотность,
г/см3
R сж, МПа
Пористость,
%
кристаллическая
зернистая
2,60-2,80
120-300
0,1-0,7
кварц
То же
2,50-2,70
250-400
Менее 0,2
полевой шпат, кварц,
слюда
кристаллическая
зернистая, сланцевая
2,60-2,80
100-280
0,1-1,0
То же
2,40-2,70
До 200
Менее 30
Глинистые каолинит, слюда
сланцы
Структура
24
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.
25
Истинная плотность вещества горной породы определяют по формуле
(m2-m1) ρ воды
ρ в-ва = −−−−−−−−−−−−−− ,
m4 + (m2 - m1) - m3
(1)
где ρ в-ва − истинная плотность вещества, г/см3; m1 – масса сухого чистого пикнометра, г; ρ
3
воды − плотность воды, г/см ; 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
ρ г.п = −−−−− = −−−−−−−−−−−−, г/см3
V обр m2-m1
m2 - m1
−−−−− − −−−−−−
ρ воды
ρ пар
(2)
где ρ г. п − плотность горной породы, г/см3; m1 – масса образца горной породы в сухом состоянии, г; V обр − объем образца, см3; ρ 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; ρ пар − плотность парафина, г/см3.
26
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 −(ρ г.п/ρ в-ва)100 %,
(3)
где p − пористость горной породы, %; ρ г.п – плотность горной породы, г/см3; ρ
тинная плотность вещества горной породы, г/см3.
в-ва
− ис-
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.
27
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.
28
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.
29
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.
30
Лабораторная работа № 2
СТРОИТЕЛЬНАЯ ДРЕВЕСИНА
Общие сведения
Древесина является весьма распространенным строительным материалом, который широко применяется в строительстве благодаря ряду положительных
свойств: высокая прочность при малой плотности, малая теплопроводность, легкость механической обработки, простота скрепления отдельных элементов, высокие декоративные показатели.
Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, связанных с ее растительным
происхождением. Строительные свойства древесины существенно ухудшаются за
счет ее анизотропности, гигроскопичности, наличия пороков, способности к загниванию.
Изучение строения древесины и ее физико-механических свойств необходимо
для того, чтобы смягчить и ослабить влияние отрицательных свойств и в максимальной степени использовать положительные свойства при использовании ее в
качестве строительного материала.
В зависимости от степени переработки различают:
− лесные материалы, получаемые путем механической обработки стволов дерева (бревна, пиломатериалы), в таком виде древесина сохраняет все присущие ей
свойства;
− готовые изделия и конструкции, изготовляемые специально в заводских
условиях (столярные плиты, оконные и дверные блоки, элементы и детали сборных домов, клееные конструкции), свойства древесины при этом используются
более рационально;
− синтетические материалы, получаемые при глубокой переработке древесного сырья (древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты, клееная фанера,
арболит и др.), в которых вовлекаются в переработку почти все отходы, образующиеся при обработке древесины.
Для определения породы древесины и суждения о ее свойствах изучают макроструктуру древесины невооруженным глазом или под небольшим увеличением.
Древесина имеет анизотропное строение, поэтому для более полного представления о качестве макроструктуры древесины, ее изучают по трем разрезам
ствола дерева (рисунок 6):
– поперечному (торцевому);
– радиальному продольному (по диаметру или радиусу);
– тангентальному продольному (по хорде).
В поперечном и радиальном разрезах ствола различают следующие основные
части: кору, камбий, собственно древесину (заболонь и ядро) и сердцевину (рисунок 7).
На этих же разрезах различимы концентрически расположенные слои, каждый
из которых соответствует одному году жизни дерева.
31
Рисунок 6 – Главные разрезы дерева
а) – торцевой разрез; б) – радиальный разрез; в) – тангентальный разрез
Рисунок 7 – Основные части древесины на торцевом разрезе
1 - кора; 2 - камбий; 3 - собственно древесина: 3а) – заболонь; 3б) – ядро;
4 – сердцевина; 5 – сердцевинные лучи
Ранняя древесина, образованная весной и в начале лета, имеет светлые крупные тонкостенные клетки, большую пористость и невысокую прочность.
Поздняя древесина, образовавшаяся летом и в начале осени, имеет темный
цвет, более высокие плотность и прочность. Годичный слой состоит из кольца
ранней и кольца поздней древесины, хорошо различимых на торцевом сечении
большинства древесных пород. Чем толще слои поздней древесины, тем выше
прочность древесной породы в целом.
Строительной древесиной называют освобожденную от коры ткань древесных
волокон, которая содержится в стволе дерева. Тканью называется группа клеток с
одинаковым строением и функциями.
Изучая строение древесины под большим увеличением, можно увидеть, что
основную ее массу составляют растительные клетки, вытянутые вдоль ствола
32
(микроструктура). Некоторые клетки вытянуты в поперечном направлении
(клетки сердцевинных лучей). Каждая клетка имеет оболочку (стенку), древесина
растущего дерева содержит живые и отмершие клетки. В живых клетках содержится протоплазма, ядро и клеточный сок.
Срубленная древесина состоит из омертвевших клеток, т.е. из клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец,
называемых микрофибриллами, которые, в свою очередь, состоят из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы - высокомолекулярного природного полимера (С6Н5О5) со сложным строением макромолекул, которые очень эластичны и
сильно вытянуты.
По назначению клетки делятся на три группы: проводящие, механические и запасающие.
Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к
ветвям и листьям. Они в основном находятся в камбии и заболони. В лиственных
породах ими являются сосуды, расположенные вдоль оси ствола.
Лиственные породы, называемые кольцесосудистыми (дуб, вяз, ясень), имеют
крупные сосуды, которые располагаются в ранней части годичного слоя, и мелкие, собранные в группы или распределенные по всей площади поздней древесины.
В рассеяннососудистых лиственных породах (липа, береза, осина) крупных
сосудов нет, и различия между ранней и поздней частями годичного слоя не
наблюдаются. Деревья хвойных пород сосудов не имеют, они состоят из замкнутых удлиненных клеток − трахеид. У большинства хвойных пород между трахеидами в поздней части годичного слоя находятся смоляные ходы − межклеточные
пространства, заполненные смолой.
Механические клетки имеют вытянутую форму, толстые стенки и узкие внутренние полости, которые плотно соединены между собой. Эти клетки и придают
древесине высокую прочность, занимая основной объем ствола.
Запасающие клетки находятся большей частью в сердцевинных лучах и служат для хранения и передачи питательных веществ живым клеткам в горизонтальном направлении. Эти клетки очень слабые и легко загнивают.
Схема анатомического строения сосны и дуба приведены на рисунках 8 и 9.
Большое влияние на свойства древесины оказывает ее влажность. Изменение
влажности сказывается на прочности, плотности, теплопроводности, приводит к
изменению формы и размеров изделия.
По содержанию влаги различают:
– мокрую древесину с влажностью до 100 % и более;
– свежесрубленную древесину с влажностью 35 % и более;
– воздушно-сухую древесину с влажностью 15...20 %;
– комнатно-сухую древесину с влажностью 8...15 %;
– абсолютно сухую, получаемую путем высушивания древесины до постоянной массы при температуре 105...110 C.
33
Рисунок 8 − Схема анатомического
ения сосны:
1− смоляной ход; 2 − годичный слой;
3 − многорядный луч; 4 − поры;
5 − сердцевинные лучи.
Рисунок 9 − Схема анатомического стростроения дуба:
1 − широкие и узкие сердцевинные лучи;
2 − либриформ; 3 − паренхима;
4 − мелкие сосуды; 5 − крупные сосуды
В древесине постоянно имеется влага гигроскопическая и капиллярная (свободная).
Гигроскопическая (связанная) влага за счет молекулярных сил адсорбции и капиллярной конденсации закрепляется в стенках клеток и покрывает поверхность
мельчайших пор водными оболочками. Клетки при этом набухают, увеличиваются в объеме, что приводит к снижению прочности.
Капиллярная (свободная) влага заполняет полости клеток и межклеточное пространство в условиях водопоглощения при контакте древесины с водой.
Влажность древесины, соответствующая предельному количеству гигроскопической влаги, называется точкой насыщения волокон и изменяется в пределах
23…35% для различных пород древесины.
Влажность, которую древесина набирает при длительном нахождении в условиях с постоянными значениями относительной влажности и температуры, называется равновесной.
В связи с тем, что основные свойства древесины находятся в непосредственной зависимости от влажности древесины, то все показатели ее свойств приводятся к стандартной влажности, равной 12 %.
Механические свойства древесины неодинаковы в различных направлениях и
также зависят от многих факторов. То же относится и к плотности древесины.
Средние показатели строения и некоторых свойств древесины приведены в таблице 11.
34
Таблица 11 − Средние показатели строения и некоторых свойств древесины
Порода Число
Плотность,
годичных кг/м3
слоев в 1см
Предел прочности, МПа
При сжатии
вдоль волокон
При статическом При растяжении
изгибе
вдоль волокон
Береза
5
640
45
100
120
Бук
7
650
46
94
130
Дуб
6
720
52
94
130
Ель
12
460
42
77
122
Осина
5
500
37
77
130
Сосна
6
530
44
60
115
Сильное влияние на качество древесины оказывают пороки (фауты).
Пороками древесины называют изменения ее внешнего вида, нарушения правильности строения, целостности ее тканей и другие недостатки, снижающие качество древесины и ограничивающие возможности практического использования.
По ГОСТ 2140 пороки древесины разделены на девять групп. В каждую группу
входит несколько видов пороков. Некоторые из них делятся на разновидности.
Сучки являются самыми распространенным и неизбежным пороком древесины.
Они нарушают однородность строения древесины, вызывают искривление волокон и годичных слоев, уменьшают рабочее сечение пиломатериалов, понижают
прочность древесины, затрудняют ее механическую обработку и ухудшают внешний вид готовых изделий.
По состоянию древесины различают сучки здоровые, загнившие, гнилые и табачные.
По степени срастания сучки могут быть сросшиеся, частично-сросшиеся, несросшиеся и выпадающие несросшиеся.
По взаимному расположению бывают сучки разбросанные, групповые, разветвленные.
Для изготовления несущих деревянных конструкций допускается древесина,
имеющая лишь здоровые сучки, число и размеры которых ограничены для каждого сорта материала.
Трещины образуются в растущем дереве от усыхания ядра, раскачивания ветром, от мороза, а также при высыхании срубленного дерева.
По форме и расположению трещины делятся на сквозные и несквозные, на сомкнутые и разошедшиеся. Они могут располагаться как на одной плоскости (простые), так и на нескольких (сложные). Различают метиковые трещины, проходящие вдоль оси ствола через сердцевину, по радиусу или диаметру; отлупные,
проходящие вдоль оси ствола по годичному кольцу; трещины усушки, возникающие от неправильной сушки и хранения сортамента; морозные, располагающиеся
около корней и сучков и проходящие вдоль оси ствола через заболонь и камбий.
35
Пороки формы ствола. Сбежистость и закомелистость характеризуют соответственно постепенное и резкое изменение диаметра ствола по его длине. Кривизна представляет собой отклонение продольной оси сортамента от прямой линии. Она может быть односторонней и разносторонней, причем искривление
ствола возможно в одной или нескольких плоскостях.
Пороки строения древесины проявляются в неправильном расположении или
развитии волокон и годичных слоев. В свою очередь, они разделяются на:
– пороки строения, обусловленные неправильным расположением волокон и
годичных слоев: наклон волокон, свилеватость, завиток;
– пороки строения, обусловленные образованием реактивной древесины:
крень, тяговая древесина;
– пороки строения в виде нерегулярных анатомических образований: ложное
ядро, прожилки, пятнистость;
– пороки строения в виде ран: сухобокость, прорость, рак;
− пороки строения, проявляющиеся в виде ненормальных отложений: водослой, засмолок, кармашек;
– пороки строения ствола: пасынки и глазки;
– пороки строения сердцевины: двойная сердцевина и смещенная сердцевина.
Химические окраски.
Грибные поражения представляют собой заметные изменения цвета, структуры и твердости древесины, вызванные грибами (плесень, синева, гниль, дупло).
Биологические повреждения представляют собой различного рода отверстия
или бороздки, вызванные действием насекомых, птиц и паразитных растений
(червоточина, повреждения растениями и птицами). Различают червоточины поверхностные, неглубокие, глубокие, некрупные, крупные, сквозные.
Покоробленности (продольная, поперечная и крыловатость) возникают при
распиловке, сушке или хранении древесины.
Инородные включения., механические повреждения и пороки обработки: обугленность древесины, обдир коры, скос пропила, обзол, закорина, бахрома, заруб,
скол, вырыв и т.п.
Рассматривая пороки древесины, следует отметить, что часть из них значительно изменяет качество древесины, другие незначительно влияют на нее, от некоторых можно освободиться, используя и применяя прогрессивные методы обработки. Многие пороки древесины повышают декоративность изделий из нее.
На декоративность изделий из древесины значительное влияние оказывают такие
свойства как цветовой тон (цвет), блеск и текстура.
Цвет зависит от содержания красящих, дубильных и смолистых веществ и
продуктов их окисления, имеющихся в полостях и стенках клеток. На цвет влияют возраст и район произрастания дерева, а также состояние древесины (влажность). В древесине различают следующие цвета:
- белый (береза, клен, осина, липа, граб, ель, пихта);
- серый (грецкий орех, хурма, ясень, акация);
- черный (эбеновое дерево, макасар, мореный дуб);
- коричневый светлый (орех, каштан, карагач, дуб, груша);
- коричневый темный (орех, палисандр, абрикос, тик);
36
- красный (маклюра, падук, махагони, ольха, тис);
- красно-фиолетовый (амарант);
- бурый (дуб, карагач, лиственница, кедр, орех, тис, бук, махагони, тополь);
- розовый (груша, бук, ольха, чинара, яблоня);
- желтый (лимонное дерево, самшит, белая акация, карельская береза, сосна).
Наибольшее количество пород древесины имеет розовато-бурые и красноватокоричневые тона, меньше – желтые и совсем мало красных, черных и серых тонов.
Цвета отдельных кусочков шпона в мозаичном наборе влияют друг на друга,
т.е. вступают в определенные отношения, создавая цветовую гамму. Отношение
цветов может быть построено на контрасте, нюансе или тождестве, что определяется конкретной задачей. Цветовое решение подчиняется художественному
содержанию набора, его назначению. В случае украшения мебели, цветовое решение должно быть увязано с назначением, формой и цветом украшаемой мебели.
Свойства цветов. Кажущееся удаление цветовой поверхности от зрителя, или
приближение; слияние цветов на расстоянии; влияние цвета на кажущееся увеличение или уменьшение размеров детали; изменение цвета при искусственном
освещении; ощущение тепла и холода. Светлые элементы на темном фоне кажутся больше, а темные на светлом – меньше истинных размеров. Искусственный цвет также значительно изменяет цветовой тон и яркость.
Расширить и обогатить палитру помогает умелое использование законов восприятия цвета, в частности закона хроматического контраста:
− цвета взаимно влияют друг на друга. Поэтому восприятие объекта зависит от
окружения, в котором он находится;
− противоположные цвета спектра наиболее контрастны по отношению друг к
другу. Помещенные рядом, они усиливают яркость и насыщенность;
− при соседстве близких по тону цветов, насыщенность обоих уменьшается;
− ахроматический тон на цветовом фоне приобретает цветовой оттенок.
Блеск − способность отражать световой поток. Блеск зависит от количества,
величины и характера расположения сердцевинных лучей, а также вида разреза
(лучше на радиальном разрезе). На блеск влияет освещение. Характер блеска неодинаков у разных пород. В значительной степени это свойство проявляется у бука, клена, чинары, белой акации.
На блеск влияет характер размещения сердцевинных лучей: чем крупнее сердцевинные лучи (дуб) и чем плотнее древесина, т.е. чем кучнее расположены сердцевинные лучи (клен), тем значительнее будет блеск.
В древесине различают следующие разновидности блеска:
− матовый (сатиновый) блеск – дуб, тополь, осина, береза, груша, липа, тик;
− шелковистый блеск – ива, вяз, ясень, черемуха, чинара, кедр, клен;
− муаровый блеск (с волнообразным отливом) – береза, серый клен, лавровишня;
− золотистый блеск – черешня.
Блеск и цвет древесины зависят не только от ее природных свойств, но и от
условий освещения, что называют светоотражением древесины. При поворачивании поверхности древесины по отношению к источнику света наблюдаются
37
светотеневые переливы: матовые места становятся блестящими, темные – светлыми, и наоборот. Светотеневые переливы у одних пород хорошо заметны только на продольном разрезе, у других - на всех разрезах. Они существенно влияют
на декоративные качества древесины, усиливая или ослабляя ее выразительные
звучание, поэтому блеск древесины учитывают при составлении мозаичных наборов. Под влиянием блеска цвет древесины меняет оттенок, приобретая золотистый или серебристый отлив.
Для усиления цвета и блеска древесины применяют:
− отбеливание – обработка древесины отбеливающими средствами (пергидроль, цианистая и щавелевая кислоты) с целью получения чистых и ярких тонов,
осветления цветового фона;
− обжиг пламенем газовой горелки с предварительной обработкой неразбавленной HCL или огнеупорной солью для предотвращения растрескивания и коробления.
Текстура. Зависит от строения и вида разреза. Лучше у кольцесосудистых пород. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетания отдельных ее
элементов, тем богаче текстура. Влияют ширина годичных слоев, степень различия в окраске ранней и поздней древесины, наличие сердцевинных лучей и капа,
направление волокон, свилеватость и др.
Многообразие текстур сводится к 12 видам:
− без выраженного рисунка с поверхностью ровного спокойного цвета (черное
дерево, груша, липа);
− мелкокрапчатый рисунок − от разреза сердцевинных лучей (бук, дуб, чинара);
− муаровый рисунок – волнообразный отлив (красное дерево, серый клен, береза);
− полосатый рисунок – узкие или широкие темные полосы при радиальном
разрезе дерева (красное дерево, орех, палисандр);
− волнистый рисунок – вследствие специфических условий роста дерева, но
чаще искусственно при строгании дерева с полосатой текстурой специальным
ножом;
− V-образный рисунок – рисунок с расходящимися от основания полосами на
тангентальном разрезе. Встречается у древесных пород с различной окраской
ранней и поздней древесины;
− криволинейный рисунок – следствие ненормальных условий роста дерева
(искривление ствола, образование нароста). На тангентальных разрезах (орех, карагач, ясень);
− листообразный рисунок – на тангентальном разрезе вблизи разветвлений
(ясень);
− сучковатый рисунок – у древесных пород с большим количеством сучков
(акация, сосна, ель);
− раковинный рисунок – в комлевой части и у развилин (кавказский орех, карагач, ясень). На относительно ровной поверхности попадаются раковины с перепутанным рисунком линий и темными пятнами;
38
− рисунок “птичий глаз” – отдельно разбросанные раковины с пятнами разных размеров, обвитых перепутанными линиями. Образуется от непроросших почек, образовавшихся под корой (клен, ясень, карельская береза);
− наплывные рисунки – самые живописные разновидности текстуры. Встречаются у древесных пород, образующих в процессе роста капы и наплывы (карагач,
береза, вяз).
Цель работы
Изучить строение древесины, степень ее однородности, содержание поздней
древесины и влияние этих показателей на механические свойства; исследовать
влияние влажности на прочность древесины; изучить пороки древесины и оценить их возможные влияния на качество изделий из древесины.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов получает образцы древесины, выдержанные в условиях лаборатории длительное время и определяет:
– равновесную влажность;
– число годичных слоев и содержание поздней древесины;
– рассчитывает пределы прочности древесины при сжатии вдоль волокон и
при изгибе в тангенциальном направлении по процентному содержанию поздней
древесины, применяя эмпирические формулы;
– определяет действительную прочность древесины испытанием и сравнивает
полученные данные с рассчитанными значениями;
– изучает влияние влажности на прочность древесины при сжатии вдоль волокон;
− определяет породу древесины по внешнему виду (приложение 1).
При этом: первое звено испытывает образцы древесины, высушенной до постоянной массы ( = 0 %); второе звено – образцы с равновесной влажностью;
третье звено – образцы с предельно возможным количеством гигроскопической
влаги, соответствующей точке насыщения волокон ( ≈ 30 %); а четвертое звено –
образцы в насыщенном водой состоянии;
– вся подгруппа (по указанию преподавателя) изучает пороки древесины по
атласам, каталогам, стандартам, образцам, делают их зарисовки и анализируют их
влияние на свойства изделий их древесины.
39
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1 Определение равновесной влажности древесины
Перед испытанием образцы древесины должны длительное время находиться
в условиях лаборатории при постоянных значениях относительной влажности и
температуры воздуха. Только при таких условиях в древесине установится равновесная влажность.
Равновесная влажность древесины определяется с помощью психрометра, психрометрической таблицы (таблица 12) и диаграммы Н.Н. Чулицкого (рисунок 10).
Таблица 12 − Психрометрическая таблица
Показания влажно- Разность показаний сухого и влажного термометров, C
го термометра, C 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
14
16
18
20
22
24
26
79
81
82
83
84
85
86
73
75
76
78
79
81
82
67
69
71
73
75
76
78
61
64
66
68
70
72
74
56
59
62
64
66
68
70
51
54
57
60
62
64
66
46
50
53
56
58
61
63
41
45
49
52
55
57
59
37
41
45
48
51
54
56
33
37
40
45
48
51
53
Пример. Психрометр в лаборатории показывает температуру воздуха 19 С,
показания влажного термометра психрометра 15 С. По таблице 12 при разнице
показаний t сух – t вл = 4 С для 20 С влажность воздуха равна 60 %, а для 19 С –
58,5 % (по интерполяции).
По диаграмме Н.Н. Чулицкого на пересечении горизонтальной линии (W возд =
58,5 %) и вертикальной линии (t сух = 19 С) определим равновесную влажность
древесины, которая составляет 11 % (по ближайшей наклонной линии с интерполяцией).
2 Определение числа годичных слоев в 1 см и содержания поздней древесины
Для определения числа годичных слоев в 1 см на торцовой поверхности образца древесины по радиальному направлению отмечают границы крайних целых
годичных слоев на участке, равном примерно 20 мм, и подсчитывают на нем число слоев (рисунок 11).
В л а ж н о с т ь в о з д у х а, %
40

Т е м п е р а т у р а в о з д у х а, С

Рисунок 10 − Диаграмма для определения равновесной влажности древесины
41
Рисунок 11 − Схема замеров ширины зоны поздней древесины
Расстояние между метками (длина измеряемого участка l) замеряют с погрешностью 0,5 мм. Количество целых годичных слоев, приходящихся на 1 см, подсчитывают путем деления числа слоев на участке на протяженность участка в см.
В каждом годичном слое между отметками при помощи инструментального микроскопа или другого измерительного прибора, имеющего погрешность нe более
0,1 мм, измеряют ширину зоны поздней древесины, затем все величины на данном отрезке суммируют и вычисляют процентное содержание поздней древесины
по отношению к длине всего участка l по формуле
m = ( ai /l)·100%,
(5)
где m – содержание поздней древесины, %; ai – ширина зоны поздней древесины каждого
годичного слоя, мм; l – длина исследуемого участка, мм.
По процентному содержанию поздней древесины, пользуясь эмпирическими
формулами (6) и (7) вычисляют предел прочности древесины при сжатии вдоль
волокон и предел прочности древесины при изгибе в тангентальном направлении
R сж = 0,6m + 30 ,
(6)
R изг = 1,4m + 35 ,
(7)
где R сж , R изг – пределы прочности древесины при сжатии и изгибе, МПa; m – содержание
поздней древесины, %.
42
По числу годичных слоев в 1 см следует охарактеризовать однородность образцов древесины, сравнивая результаты всех звеньев.
3 Определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон
Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы основанием 20х20 мм и
длиной вдоль волокон 30 мм. Перед испытанием замеряют штангенциркулем размеры поперечного сечения с погрешностью 0,1 мм. Образец устанавливают на
опорной плите пресса таким образом, чтобы действующая нагрузка была направлена вдоль волокон. Образец нагружают равномерно, со скоростью 20...30 кН/мин
до его полного разрушения.
Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон вычисляют по формуле:
Rсж = N / ( К12 ω · a · b) ,
(8)
где Rсж – предел прочности при сжатии вдоль волокон при стандартной влажности, равной
12%, МПа; N – разрушающая нагрузка, Н; К12 ω – коэффициент пересчета предела прочности
древесины при сжатии с равновесной влажности на стандартную влажность, определяемый по таблице 13; а, b – размеры поперечного сечения, м.
Таблица 13 − Значения коэффициента К12 ω при определении R сж
ω
ω,%
K
5
6
7
6
9
10
11
1,490
1,401
1,325
1,250
1,190
1,125
1,060
12
ω,%
12
13
14
15
16
17
18
K
ω
12
1,000
0,950
0,900
0,855
0,805
0,760
0,725
ω,%
19
20
21
22
23
24
25
K
ω
12
0,685
0,650
0,615
0,585
0,560
0,535
0,515
ω,%
26
27
28
29
30
—
—
K
ω
12
0,495
0,480
0,470
0,455
0,450
—
—
4 Определение предела прочности древесины при статическом изгибе
в тангентальном направлении
Образцы изготовляют в форме прямоугольного бруска сечением 20х20 мм и
длиной вдоль волокон 300 мм. Посередине длины образца штангенциркулем измеряют ширину образца в радиальном направлении и высоту в тангентальном
направлении с погрешностью 0,1 мм.
Испытания производят по одной из схем, представленных на рисунке 12.
Изгибающее усилие должно быть направлено по касательной к годичным слоям. Образец нагружают равномерно, до полного разрушения.
43
Рисунок 12 Схема испытания древесины на изгиб
Предел прочности древесины при изгибе вычисляют по следующим формулам
– при испытании по схеме 12а)
R изг = N · l / (К12 ω · b · h2) ,
(9)
– при испытании по схеме 12б)
R изг =3 N · l / 2(К12 ω · b · h2) ,
(10)
где R изг – предел прочности древесины при изгибе при стандартной влажности, равной
12%, МПа; N – разрушающая нагрузка, Н; К12 ω – коэффициент пересчета предела прочности
древесины при изгибе с равновесной на стандартную влажность, определяемый по таблице 14;
b, h, l – размеры поперечного сечения и расстояние между опорами, м.
Таблица 14 − Значения коэффициента К12 ω при определении R изг
ω,%
K
ω
12
ω,%
K
ω
12
ω,%
K
ω
12
ω,%
K
ω
12
5
1,360
12
1,000
19
0,750
26
0,610
6
1,310
13
0,955
20
0,720
27
0,600
7
1,260
14
0,915
21
0,700
28
0,595
8
1,195
15
0,880
22
0,670
29
0,590
9
1,140
16
0,845
23
0,655
30
0,580
10
1,090
17
0,815
24
0,640
—
—
11
1,050
18
0,780
25
0,625
—
—
44
5 Оценка влияния влажности древесины на прочность при сжатии
Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы основанием 20х20 мм и
длиной вдоль волокон 30 мм из одного куска древесины.
Подготовка образцов различной влажности заключается в следующем:
– сухие образцы сушатся в термостате при температуре 105...110 C до постоянной массы;
– образцы равновесной влажности выдерживаются в условиях лаборатории не
менее двух месяцев;
– образцы, близкие по влажности к точке насыщения волокон, выдерживаются в камере с относительной влажностью воздуха не менее 90 % и температурой
18...22 C;
– образцы в насыщенном водой состоянии выдерживаются под слоем воды до
предельного насыщения.
Предел прочности образцов разной влажности при сжатии вдоль волокон
определяют по методике, изложенной в п.3. Производить пересчет на стандартную влажность здесь не требуется. По результатам этих испытаний строится зависимость предела прочности древесины при сжатии от ее влажности с указанием на графике границ вида влаги и делается заключение о влиянии влаги на механические свойства.
6 Изучение пороков древесины
Изучение пороков древесины производится по образцам, плакатам, атласам и
стандартам. Для этого производится разделение образцов на группы с помощью
определителя, устанавливается вид и разновидность пороков на образцах каждой
группы.
Пороки измеряются и зарисовываются. Дается заключение об их возможном
влиянии на свойства древесины, как деловой, так и декоративной.
7 Определение породы древесины по внешнему виду
Каждая древесная порода имеет свои характерные особенности, по которым ее
можно отличить от другой породы. Основными признаками при определении породы по внешнему виду являются:
– наличие ядра, ширина заболони и характер перехода от ядра к заболони;
– степень видимости годичных слоев;
– различие в окраске ранней и поздней древесины;
– видимость сердцевинных лучей на основных разрезах;
– наличие и размеры сосудов, характер их расположения в годичном слое;
– наличие смоляных ходов, размеры их и количество;
– наличие сердцевинных повторений в древесине некоторых пород.
45
Выводы по работе
По полученным результатам сделать заключение о состоянии древесины по
показателю равновесной влажности. Охарактеризовать степень однородности образцов древесины (по числу годичных слоев в 1 см), сравнивая результаты всех
звеньев. По результатам определения прочности сделать вывод о том, каким видам нагрузки древесина сопротивляется лучше и почему. Составить рекомендации по использованию древесины в строительных конструкциях.
Дать заключение о возможности использования эмпирических формул для
предварительной оценки прочности древесины.
Сделать выводы о влиянии влаги на механические свойства древесины, наметить пути повышения эффективности и долговечности древесины.
На основе изучения пороков древесины дать заключение об их влиянии на эксплуатационные и эстетические свойства.
Определить породу древесины по внешнему виду.
Контрольные вопросы
1 Укажите положительные свойства древесины как строительного материала.
1 Биохимическая стойкость.
2 Способность к набуханию и усушке.
3 Гигроскопичность.
4 Сравнительно высокая прочность при небольшой плотности.
2 Укажите недостатки древесины как строительного материала.
1 Анизотропность.
2 Малая твердость и легкость механической обработки.
3 Малая теплопроводность и высокий ККК.
4 Малая плотность.
3 Как характеризуются клетки поздней древесины?
1 Крупные клетки с тонкими оболочками.
2 Мелкополостные клетки с толстыми оболочками.
3 Мелкополостные клетки с тонкими оболочками.
4 Крупные клетки с толстыми оболочками.
4 Что называют точкой насыщения волокон?
1 Влажность древесины, соответствующую предельно возможному количеству
влаги.
2 Влажность свежесрубленной древесины.
3 Влажность древесины, соответствующую предельному количеству гигроскопической влаги.
4 Равновесную влажность древесины.
46
5 Каким видам нагрузки лучше всего сопротивляется древесина?
1 Растяжению вдоль волокон.
2 Статическому изгибу.
3 Сжатию поперек волокон.
4 Сжатию вдоль волокон.
6 От какого вида влаги существенно зависит прочность древесины?
1 От количества гигроскопической влаги.
2 От количества капиллярной влаги.
3 От разности между гигроскопической и капиллярной влаги.
4 От общей влажности древесины.
7 Какая влажность принята стандартной при испытании древесины?
1 8 %.
2 12 %.
3 23 %.
4 35 %.
8 Какие показатели необходимы для определения равновесной влажности древесины по диаграмме Н. Н. Чулицкого?
1 Относительная влажность воздуха и влажность древесины по массе.
2 Температура и относительная влажность воздуха.
3 Температура воздуха и влажность древесины по массе.
4 Температура воздуха и точка насыщения волокон.
9 Какими путями устраняют отрицательное влияние влажности на строительно-технические свойства древесины?
1 Обработка древесины антипиренами.
2 Обработка древесины шлифованием.
3 Сушка древесины и нанесение лакокрасочного покрытия.
4 Применение древесины в абсолютно-сухом состоянии.
10 В чем заключается эффективность производства и применения клееных
деревянных конструкций?
1 Используются пиломатериалы с большим количеством пороков.
2 Упрощается и удешевляется процесс изготовления конструкций.
3 Повышается прочность, водо- и биостойкость древесины.
4 Уменьшается количество операций по механической обработке древесного
сырья.
47
Лабораторная работа № 3
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Общие сведения
Строительная керамика – искусственный камнеподобный материал, получаемый из рыхлого глинистого сырья путем его измельчения, увлажнения с последующими операциями формования, сушки и спекания обжигом при высоких температурах.
Разнообразие свойств керамических материалов и изделий зависит от вида
сырья, от его химико-минералогического и зернового составов, состава сырьевой
шихты, особенностей технологии и условий обжига.
Глинистое сырье представляет собой смесь глинообразующих минералов и
примесей, находящихся в различных соотношениях.
Глинообразующие минералы – водные алюмосиликаты. Важнейшими из основных минералов глины являются каолинит (Al2O3· 2SiO2· 2H2O), монтмориллонит (Al2O3· 4SiO2· nH2O), гидрослюда (K2O· MgO· 4Al2O3· 7SiO2· 2H2O) и др.
Примесями считаются кварцевые, карбонатные, железистые, гипсовые, органические включения, содержащиеся в глинах.
В состав глин входят различные по крупности зерна, но характерные для этого
сырья высокие пластичность и связность обусловлены наличием в глинах очень
мелких частиц пластинчатой формы, размеры которых менее 0,005 мм. Малая величина частиц и, следовательно, большая удельная поверхность, а также пластинчатая форма обеспечивают сцепление между частицами и позволяют им сдвигаться относительно друг друга при формовании без нарушения сплошности керамической массы.
В процессе сушки отформованных изделий из глиняного теста испаряется вода, частицы глины сближаются, что сопровождается воздушной усадкой – уменьшением линейных размеров и объема изделий.
Для регулирования отдельных технологических параметров глинистого сырья
в керамическую шихту вводят различные добавки: отощители (для снижения пластичности и уменьшения воздушной усадки), пластификаторы (повышающие
пластичность и связность массы), плавни (для снижения температуры спекания);
выгорающие добавки (для повышения пористости изделий после обжига) и др.
При обжиге происходят изменения в глинообразующих минералах, примесях и
добавках. В интервале температур 550...600 °С происходит дегидратация глинистых минералов, т.е. удаление химически связанной воды. Так из минерала каолинита образуется метакаолинит (Al2O3·2SiO2), имеющий почти аморфное строение.
При повышении температуры до 850 °С метакаолинит распадается с образованием глинозема (-Al2O3) и кремнезема (SiO2), взаимодействующих между собой при температурах 920...980 °С с образованием нового минерала муллита
(3Al2O3·2SiO2) в аморфной, стекловидной форме, который обладая высокой проч-
48
ностью, твердостью, химической стойкостью, придает керамическим изделиям
наиболее ценные свойства.
Параллельно идут процессы и в примесях: дегидратация гипса, слюды, гидроксидов железа, декарбонизация известняков и доломитов, модификационные превращения кварца, выгорание органики и др. Образующиеся при этом оксиды взаимодействуют с избыточным аморфным кремнеземом с образованием жидкой фазы – силикатного расплава.
Количество расплава зависит от температуры обжига, а также от химикоминералогического состава глинистого сырья, наличия добавок, реакционной
способности и дисперсности компонентов шихты, состава печной среды и продолжительности обжига.
Нарастание плотности и прочности изделий при обжиге объясняется не столько образованием керамического стекла – муллита и ряда других соединений,
сколько действием прослоек образовавшегося расплава, который за счет энергии
поверхностного натяжения сближает и связывает твердые тугоплавкие частицы.
Уплотнение и упрочнение керамических изделий при обжиге называется спеканием, которое сопровождается огневой усадкой (до 6 %). Степень спекания тесно связана с количеством образовавшегося при обжиге расплава.
Обжиг изделий стеновой керамики, которые должны обладать прочностью и
пористостью, ведут в условиях, когда в изделиях образуется минимальное количество расплава (6...8 %), что обеспечивает лишь цементацию всей системы и достаточную прочность керамического черепка (Rсж > 5 МПа) после обжига.
Обжиг изделий, которые в условиях эксплуатации должны быть плотными,
прочными, износостойкими и водонепроницаемыми (плитки для полов), ведется
при более высоких температурах (до 1250 °С), до полного спекания. Это позволяет получить плотный спекшийся черепок с малыми значениями пористости и водопоглощения (не более 3,8 %).
Степень спекания глин определяет пористость керамического черепка после
обжига, следовательно, и многие его свойства: плотность, прочность, теплопроводность, водостойкость, водонепроницаемость, водопоглощение и др.
По степени спекания керамические изделия делят на две группы:
– пористые изделия, имеющие землистый излом, шероховатую поверхность,
издающие при ударе глухой звук, с водопоглощением по массе более 5 %;
– плотные изделия, имеющие блестящий раковистый излом, издающие при
ударе чистый звук, водонепроницаемые с показателем водопоглощения по массе
менее 5 %.
Цель работы
Изучить основные свойства изделий строительной керамики; исследовать их
зависимость от степени спекания; определить показатели плотности, пористости
и водопоглощения; установить марку керамического кирпича по прочности.
Сравнить полученные результаты с данными, приведенными в таблице 15.
49
Таблица 15 − Исходные материалы для исследований
Вид керамики
Кирпич керамический рядовой
Плитки для внутренней облицовки
Плитки для полов
Трубы канализационные
Интервал обжига,
С
800…1100
950…1100
1150…1250
1100…1160
Водопоглощение,
%
8
 16
 3,8
≤ 11
Порядок выполнения работы
Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов испытывает образцы одного из видов строительной керамики, исходные
данные по которым приведены в таблице 15.
Для каждого вида строительной керамики определяются показатели водопоглощения, открытой пористости и плотности образцов. Кроме того, каждое звено
студентов испытывает образцы кирпича для определения пределов прочности при
изгибе и сжатии.
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
I Определение водопоглощения, открытой пористости и плотности
Для испытаний берутся образцы кирпича в виде целых изделий и отколотые
или выпиленные образцы из облицовочных плиток и плиток для полов объемом
50...100 см3 . Образцы высушиваются до постоянной массы, очищаются от пыли и
грязи, взвешиваются: кирпичи с погрешностью 1 г, а другие образцы с погрешностью 0,01 г.
Для определения водопоглощения образцы стеновой керамики насыщают водой комнатной температуры в течение 48 часов.
Предварительно определяют геометрические размеры кирпича с погрешностью
0,1 мм.
Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое трех измерений – двух параллельных друг другу ребер и средней линии между ними. Затем
образцы кирпича укладывают в сосуд с водой на ложковые грани в один ряд на
подкладку. Уровень воды в сосуде должен быть выше верха образцов в пределах
2…10 см. Расстояние между образцами должно быть не менее 2 см.
Через 48 часов образцы вынимают из сосуда с водой, обтирают влажной мягкой тканью и взвешивают не позднее чем через 5 минут, чтобы определить их
массу в насыщенном водой состоянии. Масса воды, вытекшая из пор образца на
чашку весов, должна включаться в массу насыщенного водой образца.
50
Образцы керамических плиток насыщаются водой при их кипячении в течение
3 часов с последующим охлаждением в воде при температуре 20±2 оС. При кипячении образцы помещают на сетчатую подставку. Охлажденные в воде образцы
вытирают влажной тканью и взвешивают.
При необходимости ускорения испытаний допускается производить насыщение образцов кирпича в течение 2 часов, а образцов плиток и труб в течение 1 часа кипячением, при этом процесс насыщения остается неизменным, а установленный показатель водопоглощения по массе в процентах умножается на коэффициент 1,1 (установлен сравнительными определениями водопоглощения).
Для определения открытой пористости образца, равной его водопоглощению
по объему Wоб, и средней плотности образца необходимо определить его объем.
Для образцов неправильной геометрической формы применяют объемомер
(рисунок 5) или лабораторные весы с кронштейном для гидростатического взвешивания (рисунок 13).
Рисунок 13 − Схема гидростатического взвешивания
На чашку 3 весов 1 ставят стакан 4 с водой, куда опускают парафинированный
образец 5, подвесив его за нитку 6 на кронштейне 7. Образец предварительно
взвешивают на воздухе. После установки на весы стакана с водой его взвешивают
и, повторно нажав кнопку ВКЛ., обнуляют дисплей 2. После опускания образца в
воду дисплей весов покажет массу образца в воде. Разница масс образца на воздухе и в воде равна его объему в мл.
51
Водопоглощение по объему показывает степень заполнения водой объема образца и характеризует величину открытой пористости образца
W об = p от
m нас. – m сух.
= ----------------- · 100% ,
 воды · Vобр
(11)
где m сух. – масса сухого образца, г; m нас – масса насыщенного водой образца, г; 
плотность воды, г/см3; V обр – объем образца, см3.
воды
–
Плотность образцов изделий строительной керамики определяют по формуле
m сух.
 обр = ------- , г/см3,
V обр
(12)
где m сух. – масса сухого образца, г; Vобр – объем образца, см3.
Водопоглощение, открытую пористость и плотность керамических материалов
и изделий вычисляют как среднее арифметическое результатов параллельных испытаний трех образцов.
2 Определение пределов прочности кирпича при изгибе и сжатии
Для испытания на изгиб используют целые кирпичи (без трещин), на постелях
которых выравнивают места опирания катков и приложения нагрузки слоем цементно-песчаного раствора толщиной не более 3 мм и шириной 25…30 мм. Вместо раствора допускается применять прокладки из строительного войлока толщиной 5 мм.
Образцы до испытания выдерживают в помещении не менее 3 суток. Обмер
образцов производят металлической линейкой с погрешностью 1 мм. Высоту
определяют как среднее арифметическое значение двух измерений боковых граней, а ширину как среднее арифметическое двух измерений верхней и нижней
граней.
При испытании образец укладывают на ложок (b = 120 мм, h = 65 мм) на два
опорных катка 2, расстояние между которыми l = 200 мм, посередине пролета
прикладывают сосредоточенную нагрузку через третий каток 1 (рисунок 14).
Нагрузку на образец передают через прокладки из раствора или войлока 3, непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение не ранее чем
через 20 с после начала испытания.
52
Предел прочности при изгибе отдельного образца определяют по наибольшей
нагрузке P, установленной при испытании, с учетом геометрических характеристик его сечения.
1
2
3
Рисунок 14 − Схема испытания кирпича на изгиб
1 – стержни цилиндрические стальные для восприятия нагрузки при испытании; 2 – места
опирания образца на упоры; 3 – слои цементного раствора состава 1:3 толщиной 3…5 мм; N –
разрушающая нагрузка.
Пределы прочности при сжатии и изгибе для кирпича испытываемой партии
вычисляют с погрешностью 0,1 МПа как среднее арифметическое значение результатов испытания пяти образцов.
Для испытания на сжатие кирпич распиливают или разделяют любым способом на две равные половины без раздробления.
Допускается применять половинки, полученные в результате испытания кирпича на изгиб. Обе половины кирпича накладывают постелями одна на другую
местами распила в разные стороны и соединяют цементно-песчаным раствором.
Верхнюю и нижнюю поверхности образцов выравнивают тем же раствором с соблюдением их параллельности.
Вместо раствора допускается применять прокладки из строительного войлока
толщиной 5 мм.
Испытание производят на прессе, устанавливая образец в центре опорной плиты и плотно прижимая верхней плитой пресса, которая должна прилегать по всей
верхней грани образца (рисунок 15).
Нагрузка на образец при испытании должна возрастать равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20...60 секунд после начала испытания. Величина разрушающей нагрузки должна составлять не менее 10 % от предельно развиваемого прессом усилия. Предел прочности при сжатии отдельного
образца вычисляют путем деления максимальной нагрузки, отмеченной при ис-
53
пытании, на площадь поперечного сечения образца, которая вычисляется как
среднее арифметическое двух измерений площадей верхней и нижней граней
Рисунок 15 – Схема испытания кирпича на сжатие
1 – слои цементного раствора состава 1:3 толщиной 3…5 мм;
N – разрушающая нагрузка.
По этим результатам с учетом наименьших показателей прочности, установленных при испытании отдельных образцов, в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 530, устанавливают марку кирпича по прочности (таблица 16).
Таблица 16 − Технические требования к прочности керамического кирпича
Марка
кирпича
300
250
200
175
150
125
100
75
Предел прочности, МПа, не менее
при сжатии
при изгибе
для кирпича всех видов и для полнотелого кирпича для полнотелого кирпича
камней
пластического формоваполусухого формирования
ния
и пустотелого кирпича
средняя наименьший
средний наименьший
средний наименьший
для пяти для отдельно- для пяти для отдельно- для пяти для отдельнообразцов го образца
образцов го образца
образцов го образца
30,0
25,0
4,4
2,2
3,4
1,7
25,0
20,0
3,9
2,0
2,9
1,5
20,0
17,5
3,4
1,7
2,5
1,3
17,5
15,0
3,1
1,5
2,3
1,1
15,0
12,5
2,6
1,4
2,1
1,0
12,5
10,0
2,5
1,2
1,9
0,9
10,0
7,5
2,2
1,1
1,6
0,8
7,5
5,0
1,8
0,9
1,4
0,7
Все четыре показателя прочности испытанной партии кирпича (R сж средний,
R сж наименьший, R изг средний, R изг наименьший) должны соответствовать данным одной строки таблицы ГОСТа для определяемой марки.
Если хотя бы один из четырех показателей окажется меньше – марка партии
кирпича принимается на одну ступень (строку) ниже.
54
Выводы по работе
По результатам испытаний установить и проанализировать зависимости между
плотностью, водопоглощением и открытой пористостью изделий строительной
керамики различной степени спекания.
Увязать полученные результаты с назначением и условиями эксплуатации различных изделий. Сделать выводы о соответствии испытанных материалов требованиям ГОСТ по водопоглощению.
Дать заключение о марке керамического кирпича по прочности.
Контрольные вопросы
1 Что является сырьем для производства керамических материалов?
1 Диабазы, базальты.
2 Глины, трепелы, диатомиты.
З Известняки, известковые туфы.
4 Гипсосодержащие горные породы.
2 Каков химико-минералогический состав сырья для производства изделий
строительной керамики?
1 Аморфный и кристаллический кремнезем.
2 Карбонаты и сульфаты кальция с песчаными примесями.
3 Водные алюмосиликаты с железистыми, карбонатными и другими примесями.
4 Безводные алюмосиликаты с различными примесями и добавками.
3 Какую роль в керамической шихте выполняют отощающие добавки?
I Понижают водопотребность шихты и уменьшают усадку при сушке .
2 Понижают температуру спекания шихты.
3 Повышают плотность и прочность изделий.
4 Уменьшают плотность и повышают пористость изделий.
4 Какие добавки способствуют уменьшению плотности и повышению пористости керамических изделий?
I Шамот.
2 ПАВ.
3 Угольная мелочь.
4 Полевые шпаты.
5 Какие процессы определяют спекание керамических изделий?
1 Процессы удаления химически связанной воды из сырьевой смеси.
2 Процессы частичного плавления сырья при обжиге.
55
3 Процессы разложения минералов сырья и образование аморфных кремнезема
и глинозема.
4 Процессы разложения карбонатных примесей и выгорание органики.
6 По какому показателю оценивают степень спекания керамического черепка?
1 По водопоглощению по массе.
2 По общей пористости.
3 По прочности черепка.
4 По открытой пористости.
7 Для чего используют весы с приспособлением для гидростатического взвешивания?
1 Для определения массы образца в сухом состоянии.
2 Для определения массы образца в насыщенном водой состоянии.
3 Для определения объема образца.
4 Для определения пористости образца.
8 Как практически определяется показатель открытой пористости керамических образцов?
I По показателям плотности вещества и плотности материала.
2 По показателю водопоглощения по объему.
3 По показателю водопоглощения по массе.
4 По массе образца в сухом состоянии и объему образца.
9 Как устанавливают марку керамического кирпича по прочности?
I По среднему результату определения предела прочности на сжатие пяти
стандартных образцов.
2 По средним результатам испытаний пяти стандартных образцов на сжатие и
изгиб без учета наибольшего и наименьшего показателей прочности.
3 По средним результатам испытаний пяти стандартных образцов на сжатие и
изгиб с учетом наименьших показателей прочности отдельных образцов.
4 По наименьшим результатам испытаний пяти стандартных образцов на сжатие и изгиб.
10 Как повысить эффективность изделий стеновой керамики?
1 Повышение плотности и прочности стеновых материалов с целью улучшения
их конструктивного качества.
2 Значительное увеличение размеров и массы изделий для повышения уровня
индустриализации кладочных работ.
3 Выпуск пустотелых керамических изделий укрупненных размеров с целью
экономим материальных и трудовых ресурсов при возведении стен.
4 Выпуск изделий разных по размерам и свойствам для различных условий
эксплуатации.
56
Лабораторная работа № 4
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА ПО ВНЕШНЕМУ ВИДУ
1 Требования к качеству и приемка изделий
Керамические кирпичи (рядовые − 250×120×65 мм и утолщенные −
250×120×88 мм) и камни (250×120×138 мм) сплошные (пустотность до 13 %) и
эффективные (пустотность до 45 %) являются самыми массовыми изделиями,
применяемыми для каменной кладки в зданиях и сооружениях (рисунок 16).
Кирпичи и камни керамические выпускают марок по прочности 75...300 с вертикальными пустотами и марок 25...100 − с горизонтальными пустотами. Морозостойкость F 15, 25, 35, 50 циклов, водопоглощение не менее 8 % у полнотелых и
не менее 6 % у эффективных изделий. Пустоты могут быть сквозными и несквозными, круглыми диаметром не более 20 мм, квадратными со стороной не более 20
мм, щелевидными шириной не более 16 мм. Поверхность изделий должна быть
плоской, ребра − прямолинейными или закругленными (r ≤ 15 мм), ложковые и
тычковые грани − гладкими или рифлеными.
Допуски для оценки качества кирпича по дефектам внешнего вида (таблица 17).
Таблица 17 − Дефекты внешнего вида кирпича керамического
Вид дефекта внешнего вида
Допустимое
число дефектов на 1 изделие
Отбитости углов глубиной 10...15 мм, в том числе − для нелице2/-*
вых углов лицевых изделий
Отбитости и притупленности ребер глубиной до 10 мм и длиной
2/1*
10...15мм, в том числе для нелицевых ребер лицевых изделий
Трещины протяженностью до 30 мм по постели полнотелого
кирпича, в пустотелом − до 1-го ряда пустот с глубиной на всю
высоту кирпича или на 0,5 высоты камня:
− на ложковых гранях, в том числе − для нелицевых граней ли1/-*
цевых изделий;
− на тычковых гранях, в том числе − для нелицевых граней ли1/-*
цевых изделий
Кирпич-половняк
≤ 5 % объема
партии
Примечание: * − для лицевых поверхностей изделий по ГОСТ 7484-78.
Приемку по внешнему виду проводят по двухступенчатому плану альтернативного контроля (таблица 18).
57
Таблица 18 − Правила приемки кирпича керамического по внешнему виду
Объем партий
изделий, шт.
10001−35000
свыше 35000
Ступень
контроля
I
II
I
II
Объем выборки, шт.
80
80
125
125
Общий объем Приемочное
выборки, шт. число Ае
80
7
160
18
125
11
250
26
Браковочное
число Re
11
19
16
27
Вторую ступень контроля проводят, если число изделий с дефектами превышает число Ае, но меньше числа Re I-й ступени.
Для приемосдаточных испытаний кирпича керамического по другим показателям из выборки изделий, принятых по внешнему виду, отбирают число образцов в
соответствии с таблицей 19 с примечаниями.
Примечания к таблице 19
*
− для изделий пластического формования из лессов, трепелов, диатомитов;
**
− масса для камней, кг;
*** − водопоглощение для пустотелых изделий;
(КСГ) − карбонатосодержащие глины;
(+ДТ) – глины с добавкой диатомитов и трепелов;
(ДТ) − лицевые кирпичи из диатомитов и трепелов.
Недожог и пережог – не допускаются.
2 Характеристика технологических воздействий на керамические изделия
2.1 Приготовление формовочной массы
Глины как осадочные породы перемежаются с линзами песков, известняков и
другими примесями. Заготовку глины производят с усреднением состава на складе вылеживания. Формовочные массы составляют из глин, отощителей, порообразователей и они проходят через операции измельчения (вальцы камневыделительные и тонкого измельчения с зазором 1…2 мм, смесительные бегуны и др.), пароувлажнения до ω = 18...22 % при пластическом способе формования или 6…8 %
при полусухом способе прессования. Итог этих операций – гомогенная смесь, не
содержащая зерен СаСО3 крупнее 0,5...0,8 мм для предупреждения появления
"дутиков" в изделиях (отслоений сверхдопустимых размеров на поверхностях).
2.2 Формование изделий
Формование кирпича керамического при полусухом прессовании выполняется
пресс-автоматами, при пластическом формовании – вакуум-прессами (рисунок
18). В вакуум-прессе формовочная масса проходит через отделение окончательного смешения 1, отделение уплотнения 3, решетку с ножами 4, вакуум-камеру 5 с
разрежением 90…96 кПа для снижения объема пузырьков воздуха, захваченных в
смесителе с 2...4 до 0,4…0,5 %.
58
Воздух затрудняет смачивание глины, мешает ее равномерному уплотнению,
деформирует глиняный брус после мундштука, способствует образованию свилей
при сушке и обжиге.
Далее масса уплотняется в цилиндре 7 и через переходную головку 8 и мундштук 9 выходит брусом на резательный стол.
Формующие поверхности мундштука изготовляются из специальных твердых
сплавов или износостойкого чугуна. Не должно быть качаний выпорного вала 6 и
увеличения просвета между краями лопастей вала и стенкой цилиндра 7 сверх
2...3 мм. При большом просвете возможно обратное течение глины вдоль стенок
цилиндра и расслоение массы.
1 Кирпич с 19 пустотами
(пустотность 13 %)
2 Кирпич с 32 пустотами
(пустотность 22 %)
3 Кирпич с 21 пустотами (пустотность 34 %, 45 %)
4 Кирпич с 18 пустотами
(пустотность 29 и 38 %)
5 Кирпич с 28 пустотами
(пустотность 32 и 42 %)
59
6 Камень с 7 пустотами
(пустотность 25 %, 33 %)
7 Камень с 18 пустотами
(пустотность 27 и 36 %)
Рисунок 16 – Рекомендуемые формы и размеры изделий
пластического формования
1 Кирпич прессованный с 8 несквозными отверстиями (пустотность 11 %)
2 Кирпич прессованный с 3 сквозными отверстиями (пустотность 2,25 %)
3 Кирпич экструзионный с 6 горизонтальными пустотами
60
4 Камень экструзионный с 30 пустотами и пустотой для захвата при кладке
(пустотность 45 %)
Рисунок 17 − Рекомендуемые формы и размеры изделий прессованных
и экструзионного формования
2.3 Сушка отформованных изделий
Сушка отформованных изделий производится в течение 48…72 ч. обычно в
туннельных сушилках, где теплоносителем является отработанный горючий газ
обжиговых печей с t = 90...120°С. Обязательными операциями является раздвижка
кирпичей на полках вагонеток, контроль температуры и ритма толкания. Влажность кирпича после сушки должна находиться в пределах 6...8%.
Дефекты после сушки показаны в таблице 20
61
Таблица 19 – Порядок приемосдаточных испытаний партии кирпича, прошедшей приемку по внешнему виду
Наименование
показателя
Размеры: − длина, мм
− ширина, мм
− толщина, мм
− тоже для камня, мм
Отклонение от перпендикулярности граней, мм
Непрямолинейность лицевых
поверхностей и ребер, мм:
− по ложку
− по тычку
Посечки a ≤ 0,5; l ≤40 мм
Известковые включения:
− отколы от «дутиков» на поверхности размером 3…10 мм
по наибольшему измерению;
− отколы на поверхности глубиной более 6 мм
Масса, кг
Водопоглощение, %
R сж: − камней
− кирпичей
R изг: − кирпичей марки 75,
100 − кирпичей марки ≥ 125
Морозостойкость, циклов
Величина допуска
кирпич и камни керами- кирпич и камни лические (по ГОСТ 530)
цевые (по ГОСТ
7484)
± 5 (± 7)*
±4
± 4 (± 5)*
±3
±3
± 3… - 2
±4
± 3 (± 4)*
± 2 (для лицевых
граней)
не более 3 отколов
не допускаются
≤ 4,3; (≤ 16)**
≥ 8; (≥ 6)***
Вид испытаний,
количество образцов
приемосдаточпериодиченые
ские
24 кирпича по
ГОСТ 530,
25 кирпичей (15
камней) по
ГОСТ 7484
Партия
принимается,
если стандарту не удовлетворяет одно изделие,
если два – партия не
принимается
−
25 кирпичей или
15 камней по
ГОСТ 7484
≤3
≤2
≤ 2 штук на кирпиче по ГОСТ 7484
не должно быть от- 5 штук
колов, видимых с
расстояния l =10 м,
в том числе - пятен
≤ 14, ≤ 12 (КСГ)
≤ 20 (+ДТ), ≤ 28
(ДТ)
Таблица 3 ГОСТ 530
Таблица 3 ГОСТ
7484-78
См. табл.3 ГОСТ 530-95 Табл.3 ГОСТ 7484
или табл.8 в ЛР № 2
≥ 15
≥ 25
−
−
−
−
Условия приемки
3
3 (ГОСТ 7484)
5
10
5
−
5 (ГОСТ 7484)
При неудовлетворительных результатах
−
первой пробы образцов
–
по какому-либо показателю делаются повтор−
ные испытания на
5 (раз в 2
недели, при удвоенном количестве
изменении образцов. В случае отсодержания рицательного резулькарбонатов тата партия не принимается
в сырье)
−
3
−
−
−
5
5
По результатам испытания присваивается
марка
62
Рисунок 18 − Горизонтальный ленточный вакуумный пресс:
1 − смеситель. 2 − лопасти. 3 − уплотняющие винты. 4 − решетка с ножами. 5 − вакуум-камера. 6 − вал.
7 − корпус (цилиндр) пресса. 5 − переходная головка. 9 − мундштук
63
Таблица 20 – Дефекты кирпича после сушки
Дефект
Увеличение
времени
сушки
Эскиз дефекта
Причины появления
Подсос воздуха через неплотности сушила; плотная укладка сырца на полках вагонеток
Последствия
Снижение эффективности сушки
Деформация
кирпичей
Увеличение расстояния между опорными планками, тряска при транспартировании
"Сушильные"
трещины
(рамочные)
Ускоренный подъем температуры в начале сушки − повышение t, W по сечению.
Слабый вакуум в прессе
Превышение допуска по прямолинейности, отклонения от вертикали
Отбраковка по
внешнему виду
снижение марки
по прочности
Краевые
трещины
вдоль ложка
Нарушение правил укладки
кирпича, тряска при транспортировании
Отбраковка кирпича по внешнему виду
Помятости
на гранях и
ребрах
Небрежная укладка, повышенная влажность сырца,
тряска на путях перекатки
Отбраковка кирпича по внешнему виду
Мелкие трещины на поверхности
Пониженная температура и
повышенная влажность теплоносителя в начале сушки −
"точка росы"
Отбраковка кирпича по внешнему виду
Отрыв пластинок массы
от поверхности − "облопки"
Повышенное давление пара
внутри сырца при высокой
температуре теплоносителя
Отбраковка кирпича по внешнему виду
4 Обжиг изделий
Обжиг изделий выполняется в туннельных печах на горючем природном газе,
результатом обжига являются физико-химические превращения глины в черепок.
При температурах 110...120°С удаляется свободная вода; 200...450°С выгорают
порообразующие добавки; 450...700°С удаляется химически связанная вода;
900...1200 °С минералы разлагаются на отдельные оксиды, появляются легкоплавкие соединения, переходящие в жидкий расплав, обволакивающий своей
пленкой остальные твердые частицы. Происходит стяжение этих частиц поверхностным натяжением расплава через деформацию жидкостных манжет, уменьшается межзерновая пористость (рисунок 19).
64
Рисунок 19 − Схема стяжения частиц поверхностным натяжением расплава
В таблице 21 представлены возможные дефекты кирпича керамического после
обжига.
3 Проведение оценки качества кирпича
Измерение дефектов внешнего вида производится с помощью металлических
линеек и угольников с делениями по 1,0 мм, а штангенциркуля, точность измерений – с погрешностью 1 мм.
Отклонения от перпендикулярности измеряется для тычковых граней приложением длинной стороны угольника к ложковой грани.
Непрямолинейность измеряется для ложковых граней по наибольшему просвету между линейкой, приложенной к ложку и его поверхностью.
Результаты измерений отклонений фактических размеров от номинальных, величин дефектов внешнего вида заносятся в регистрационные таблицы.
Обобщение результатов позволяет сделать вывод о соответствии кирпича требованиям ГОСТ.
65
Таблица 21 – Возможные дефекты кирпича керамического после обжига
Дефект
Перерасход теплоносителя
Неравномерный обжиг
по сечению садки
Трещинообразование в
кирпичах по периметру
садки
Пиропластическая деформация кирпича
Эскиз дефекта
Причины появления
дефекта
До 80…90% потока
теплоносителя проходит через боковые
и верхний уширенные зазоры садки
Неравномерное распределение потока
теплоносителя в попер. сечении садки,
не работает песочный затвор
Перегрев и затем
резкое охлаждение
кирпича − несоблюдение режима обжига
Перегрев кирпича с
краевым опиранием
Последствия
Появление дефектов, приведенных в данной
таблицы.
Неоднородность
спекания черепка
и свойств кирпича
Отбраковка кирпича как половняка
Отбраковка кирпича из-за непрямолинейности
Пережог до газовыделения в толще кирпича
Перегрев кирпича до
температуры газовыделения из минералов черепка
Отбраковка кирпича из-за непрямолинейности
Недожог
Неравномерное распределение температуры по сечению
садки
Отбраковка по
недожогу
Обрушение садки
Неустойчивая садка,
тряска на рельсах,
наезд на
выступы стен камеры − "пузо" в створе
Деструкция черепка
из-за высокой скорости охлаждения после стекания
Повышение %
отбраковки
Деструкция черепка
Понижение прочности, повышение водопоглощения
66
Контрольные вопросы
1 По каким дефектам оценивается качество внешнего вида кирпича?
1 По непрямоугольности углов
2 По отбитостям углов и ребер, по трещинам от ложка и тычка, по количеству
кирпича-половняка.
3 По непрямолинейности граней, по герметическим размерам.
4 По величине водопоглощения, массы, уровню морозостойкости.
2 Что является причиной «сушильных» трещин?
1 Чрезмерное количество добавок-отощителей в формовочной массе?
2 Отсутствие добавок-отощителей.
3 Повышенная температура сушки в начальный период процесса, отсутствие
раздвижки сырцовых кирпичей на полках вагонеток.
4 Медленный подъем температуры в сушильной камере.
3 Что является причиной обжиговых трещин от ложка и тычка кирпича?
1 Повышенное количество выгорающих добавок.
2 Замедленное перемещение обжиговых вагонеток через печь.
3 Отсутствие выгорающих добавок
4 Резкое снижение температуры в зоне охлаждения и повышенная скорость
охлаждения после зоны спекания.
4 Каков механизм обжиговой усадки кирпича?
1 Испарение свободной влаги из формовочной массы при обжиге.
2 Действие сил поверхностного натяжения жидкостного расплава в зоне температуры спекания керамического черепка.
3 Удаление химически связанной воды из формовочной массы.
4 Образование расплава.
5 Для чего необходимо вакуумирование формовочной массы при получении
кирпича по пластическому способу формования?
1 Для уменьшения объема и массы формовочной массы.
2 Для снижения сил внутреннего трения между частицами глины при прохождении через мундштук вакуумного пресса.
3 Для снижения отходов при производстве кирпича.
4 Для обеспечения сплошности глиняного бруса по выходе из мундштука вакуум-пресса и предотвращения его свилеватости.
6 Какие вещества можно использовать в качестве отощителей для формовочной массы?
1 Шамот, древесные опилки, известняк.
2 Добавки из отходов угледобычи, древесные опилки.
3 Песок, зола, шлак, шамот.
4 Известняк, доломит.
67
7 Каков допуск по наличию и протяженности трещин в рядовом кирпиче?
1 Не более одной трещины от тычка и ложка с глубиной распространения по
постели не более 30 мм по перпендикуляру трещин.
2 Не более одной трещины от тычка и ложка с глубиной распространения по
постели длиной 30 мм от начала до конца трещин.
3 Трещин не должно быть.
4 Две трещины глубиной 30 мм и более от ложковой поверхности по постели.
8 Что происходит с зернами известняка, содержащимися в формовочной смеси, во время обжига?
1 Ничего не происходит.
2 Зерна известняка разрыхляются на мелкие частицы.
3 Диссоциация известняка в оксид кальция и диоксид углерода.
4 Известняк образует основные соединения в кирпиче.
9 Что такое «дутики» в керамическом кирпиче?
1 Пустоты, образовавшиеся в керамическом черепке при разложении неорганических компонентов.
2 Пустоты, образовавшиеся в керамическом черепке при выгорании органических добавок.
3 Пластичные отслоения на поверхности керамических кирпичей и камней, появляющиеся в результате гидратации зерен окиси кальция.
4 Местные отслоения на поверхности изделий, имеющие обычный для обжигового черепка цвет.
68
Лабораторная работа № 5
СТРОИТЕЛЬНЫЙ ГИПС
Общие сведения
Неорганические вяжущие вещества представляют собой искусственно полученные тонкоизмельченные порошки, способные при затворении водой образовывать пластично-вязкую и легко формуемую массу – вяжущее тесто, которое в
результате физико-химических процессов постепенно затвердевает и переходит в
камневидное состояние.
Неорганические вяжущие вещества образуют с водой пластичное тесто, которое способно легко растекаться даже в том случае, если в него добавлять большое
количество твердых материалов (песка, щебня), благодаря чему растворные и бетонные смеси при изготовлении строительных изделий и конструкций плотно заполняют формы сложной конфигурации или растекаются по поверхности ровным
однородным слоем. Через некоторое время тесто любого вяжущего вещества загустевает, схватывается и отвердевает, превращаясь в искусственный камень, связывая зерна заполнителей в прочный монолит.
Количество воды, введенное при затворении вяжущего вещества, влияет на
пластично-вязкие свойства теста. Чем больше воды, тем выше текучесть теста,
тем медленнее проходят процессы коагуляции и кристаллизации, тем медленнее
оно загустевает и твердеет.
Окончательная прочность камня на основе вяжущих веществ связана, главным
образом, с его плотностью, которая зависит от разницы между количеством воды,
взятой при затворении (30…100 % от массы вяжущего), и количества воды, фактически связываемой минералами вяжущего при его гидратации (15…30 %). Избыточное количество воды нужно для получения пластичной смеси и с течением
времени оно неизбежно испаряется, оставляя после себя поры, снижающие плотность, прочность и долговечность искусственного камня. Поэтому при изучении
свойств вяжущих веществ и при сравнении их технических показателей с нормативными всегда применяют смесь стандартной консистенции, содержащую строго установленное количество воды.
Строительный гипс получают при нормальном давлении в результате термической обработки при температуре 150…170 °С природного гипсового камня, измельченного в порошок до или после этой обработки.
Происходит частичная дегидратация двуводного гипса по реакции
CaSO4·2H2O = CaSO4·0,5H2O + 1,5Н2О.
Кроме полуводного сульфата кальция гипсовое вяжущее содержит примеси
глины, кварца, которые ухудшают качество вяжущего вещества.
Твердение гипсовых вяжущих веществ происходит по теории А.А. Байкова:
– на первом, подготовительном этапе частицы полугидрата при затворении
водой начинают растворяться с поверхности до образования насыщенного раствора, одновременно начинается гидратация полуводного гипса по реакции
CaSO4·0,5H2O + 1,5Н2О = CaSO4·2H2O.
69
Этот период характеризуется вязкопластичным текучим состоянием гипсового
теста;
– на втором этапе (коллоидации) наряду с гидратацией растворенного полугидрата происходит прямое присоединение воды к твердым частичкам полуводного гипса; продукт гидратации – двуводный гипс образуется в виде высокодисперсных кристалликов, которые, выделяясь из пересыщенного раствора, образуют коллоидно-дисперсную систему в виде геля, где частички двугидрата связаны
силами молекулярного сцепления (ван-дер-ваальсовыми); этот период характеризуется схватыванием (загустеванием) теста;
– на третьем этапе (кристаллизации) образовавшийся неустойчивый гель перекристаллизовывается в более крупные кристаллы, которые объединяются между собой в сростки, обеспечивая твердение и рост прочности камня вяжущего.
Названные этапы следуют не строго друг за другом, а налагаются один на другой и продолжаются до тех пор, пока весь полуводный гипс не перейдет в
двуводный. При высыхании гипсовых изделий из водного раствора выделяется
оставшийся в нем двугидрат, упрочняющий контакты в кристаллических сростках.
Многие вяжущие вещества при твердении дают усадку, что может привести к
растрескиванию и снижению прочности искусственного камня. Для того чтобы
уменьшить вредные последствия усадки, в растворы и бетоны вводят большое
количество каменных заполнителей – песка, гравия, щебня. Гипсовые растворы и
бетоны можно готовить и без заполнителей, т. к. гипс при твердении увеличивает
свой объем на 0,5…1,0 %. Это свойство очень ценно, отлитые гипсовые изделия
твердеют с уплотнением и точно передают очертания формы.
Цель работы
Изучить основные свойства гипсовых вяжущих веществ и исследовать влияние на них количества воды, взятой при затворении гипсового теста; определить
марку гипсового вяжущего вещества.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов проводит следующие испытания:
– определяет текучесть гипсового теста и изготовляет из него 3 образцабалочки размером 4х4х16 см;
– определяет сроки схватывания гипсового теста;
– испытывает образцы с определением пределов прочности при изгибе и сжатии.
При этом одно из звеньев проводит все испытания в стандартных условиях (на
гипсовом тесте нормальной густоты), а также определяет тонкость помола вяжущего. Три других звена проводят испытания при величине водозатворения отличающиеся от нормальной густоты гипсового теста (по заданию преподавателя).
70
MEТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1 Определение нормальной густоты и текучести гипсового теста
Текучесть гипсового теста определяется с помощью вискозиметра Суттарда
(рисунок 20а), который состоит из латунного (стального) цилиндра 1 с внутренним диаметром 50 мм и высотой 100 мм, листа стекла 2 с концентрическими
окружностями снизу.
Перед испытанием стекло и внутреннюю поверхность цилиндра протирают
влажной тканью, цилиндр ставят в центре стекла. В чистую резиновую чашку,
предварительно протертую влажной тканью, вливают воду затворения. Затем в
нее в течение 2...5 секунд засыпают 300 г гипсового вяжущего вещества. Массу
перемешивают ручной мешалкой в течение 30 с, начиная отсчет времени от начала затворения (всыпания гипса).
После окончания перемешивания цилиндр вискозиметра заполняют гипсовым
тестом, излишки которого срезают металлической линейкой. Через 45 секунд,
считая от начала затворения, или через 15 секунд после окончания перемешивания цилиндр быстрым правильным движением поднимают вертикально на высоту 15…20 см и отводят в сторону. Диаметр расплыва полученной лепешки 3 измеряют металлической линейкой сразу после поднятия цилиндра в двух перпендикулярных направлениях с погрешностью 5 мм и вычисляют среднее арифметическое.
Величина диаметра расплыва служит критерием текучести гипсового теста
(рисунок 20б). Нормальной густотой НГ гипсового теста считают такую его консистенцию, при которой тесто, вытекая из цилиндра вискозиметра, расплывается
в лепешку до диаметра 175...185 мм. Если диаметр не соответствует стандартному значению, то испытание повторяют с измененной дозировкой воды.
Нормальная густота выражается в процентах как отношение массы воды к
массе гипсового вяжущего вещества в граммах.
По результатам испытаний строят график зависимости диаметра расплыва (текучести теста) от количества воды затворения.
Прибор Вика (рисунок 21), с помощью которого определяют сроки схватывания вяжущего вещества, состоит из конического кольца 8 и подвижного стержня
2 с указателем-стрелкой 4. Стержень заканчивается стальной иглой 7 и свободно
перемещается вертикально в направляющих после освобождения стопорного
устройства 6. Масса стержня с иглой равна 300 г. Шкала прибора 5, укрепленная
на станине 1, имеет деления от 0 до 40 мм.
2 Определение сроков схватывания
Перед испытанием проверяют: свободно ли опускается стержень, а также нулевое положение подвижной части. Для определения сроков схватывания готовят
тесто из 300 г вяжущего, которое всыпают в воду в течение 2...5 с и тесто перемешивают ручной мешалкой в течение 30 с.
71
Рисунок 20 − Схема определения диаметра расплыва гипсового теста
После этого тесто сразу заливают в кольцо 8 прибора Вика, предварительно
протертое и смазанное минеральным маслом и установленное на металлическую
пластинку 9.
Для удаления попавшего в тесто воздуха кольцо с пластинкой встряхивают
4…5 раз путем поднятия и опускания одной из сторон пластинки примерно на 10
мм. Далее излишки теста срезают линейкой и выравнивают поверхность. Кольцо
на пластинке устанавливают на основание 1 прибора Вика примерно по центру
под иглой 7. Подвижную часть прибора с иглой устанавливают в такое положение, при котором конец иглы касается поверхности гипсового теста, а затем иглу
свободно опускают в кольцо с тестом, отпуская винт-стопор 6.
72
Рисунок 21 − Схема прибора Вика
Погружение производят один раз каждые 30 с, начиная с целого числа минут.
После каждого погружения иглу тщательно вытирают, а пластинку с кольцом передвигают так, чтобы игла при новом погружении попадала в другое место.
Начало схватывания определяют числом минут, истекших от момента добавления вяжущего к воде, до момента, когда игла первый раз не доходит до дна
кольца на 1 мм, а конец схватывания – от начала затворения до момента, когда
игла погружается в тесто не глубже чем на 1 мм. Погружение иглы 7 замеряют по
шкале 5 и стрелке 4.
Марка гипсового вяжущего по срокам схватывания устанавливается на тесте
нормальной густоты (таблица 21).
Таблица 21 − Виды гипсовых вяжущих веществ по срокам схватывания
Виды гипсовых вяжущих Индекс сроков
Сроки схватывания, мин
веществ
схватывания
начало, не ранее
конец, не позднее
Быстротвердеющий
А
2
15
Нормальнотвердеющий
Б
6
30
Медленнотвердеющий
В
20
не нормируется
По результатам испытаний, полученным всей подгруппой студентов, строится
график зависимости сроков схватывания от количества воды, взятой при затворении гипсового вяжущего каждым звеном, и делается вывод о ее влиянии на сроки
схватывания гипса.
73
3 Определение тонкости помола
Тонкость помола гипсовых вяжущих определяют просеиванием высушенной
при 50…55 ºС пробы массой 50 г через сито № 02 на приборе для механического
просеивания. Просеивание считается законченным, если при контрольном просеивании вручную в течение I мин через сито проходит не более 0,05 г вяжущего.
Тонкость помола характеризуется остатком на сите в процентах к первоначальной массе просеиваемой пробы, вычисленной с погрешностью 0,1 %. За величину тонкости помола принимают среднее арифметическое двух испытаний.
Марку гипсового вяжущего по тонкости помола устанавливают с учетом технических требований ГОСТ 125 (таблица 22).
Таблица 22 − Виды гипсовых вяжущих веществ по тонкости помола
Виды гипсовых вяжу- Индекс степени по- Максимальный остаток на сите
щих веществ
мола
№ 02, %, не более
Грубый
I
23
Средний
II
14
Тонкий
II
2
4 Изготовление образцов-балочек
Для изготовления трех образцов-балочек размером 4х4х16 см отвешивают по
1200 г гипсового вяжущего вещества для каждого звена, а количество воды берут
по вариантам, предлагаемым для каждого звена раздельно. Вяжущее вещество в
течение 5…20 секунд засыпают в сферическую чашу с уже залитой водой, и интенсивно перемешивают ручной мешалкой в течение 60 секунд до получения однородной массы. Готовую смесь заливают в слегка смазанную минеральным маслом металлическую форму, отсеки которой наполняют одновременно.
Для удаления вовлеченного воздуха форму после заливки встряхивают 5 раз,
для чего ее поднимают за торцовую сторону на высоту 8...10 мм и опускают.
После наступления начала схватывания излишки гипсового теста срезают металлической линейкой, передвигая ее по верхним граням формы перпендикулярно к поверхности образцов от их середины к краям.
Через 10…20 минут после конца схватывания образцы извлекают из формы,
маркируют и хранят в помещении до испытания.
5 Определение марки гипсового вяжущего вещества по прочности
Через 2 часа после контакта вяжущего с водой при затворении теста, образцыбалочки, подвергаются испытанию на изгиб на испытательной машине МИ-100
(рисунок 22).
74
Рисунок 22 − Испытательная машина МИИ-100 для определения
предела прочности при изгибе:
/ — станина; 2 — шкала; 3 — коромысло; 4 — рукоятка тумблера;
5 — счетчик; 6 — испытываемый образец
На рисунке 23 показана схема расположения образца 3 при испытании. Образец устанавливают на опоры 1 обоймы так, чтобы направление действия нагрузки от нагружающего валика 2 прибора было параллельно слоям укладки гипсового теста.
Рисунок 23 – Схема испытания образцов-балочек на изгиб
Предел прочности при изгибе вычисляют в МПа как среднее арифметическое
результатов испытания трех образцов одной серии. Полученные после испытания
на изгиб шесть половинок балочек сразу же подвергают испытанию на сжатие.
Половинку балочки 2 помещают между двумя стальными пластинами 1 таким
образом, чтобы направление нагрузки было параллельно слоям укладки гипсового теста (рисунок 24).
75
Рисунок 24 − Схема испытания образцов-половинок балочек на сжатие
Время нагружения образца до разрушения должно составлять от 5 до З0 с,
скорость нарастания нагрузки при испытании 0,5…1,5 MПa/с.
Марка гипсового вяжущего вещества по прочности устанавливается по результатам испытания образцов, изготовленных из теста нормальной густоты с
учетом требований ГОСТ 125 (таблица 23).
Предел прочности при сжатии одного образца вычисляют как частное от деления разрушающей нагрузки на рабочую площадь пластинки, равную 25 см2.
Таблица 23 − Марки гипсовых вяжущих веществ по прочности
Марка
Г-2
Г-3
Г-4
Г-5
Г-6
Г-7
Предел прочности образцов- Марка
балочек в возрасте 2 часа,
МПа, не менее
при изгибе
при сжатии
1,2
2
Г-10
1,8
3
Г-13
2,0
4
Г-16
2,5
5
Г-19
3,0
6
Г-22
3,5
7
Г-25
Предел прочности образцовбалочек в возрасте 2 часа,
МПа, не менее
при изгибе
при сжатии
4,5
10
5,5
13
6,0
16
6,5
19
7,0
22
8,0
25
Предел прочности при сжатии для образцов одной серии вычисляют как среднее арифметическое испытаний шести образцов без максимального и минимального результатов.
По результатам испытаний всех серий образцов строятся графики зависимости
пределов прочности при изгибе и при сжатии гипсового камня от количества воды, взятой при затворении теста, устанавливается комплексная марка гипсового
вяжущего по срокам схватывания, тонкости помола и прочности.
76
Контрольные вопросы
1 К какой группе вяжущих относятся гипсовые вяжущие вещества по способу
(условиям) твердения?
1 К вяжущим гидравлического твердения.
2 К вяжущим воздушного твердения.
3 К вяжущим смешанного типа твердения.
4 К вяжущим автоклавного твердения.
2 Какой процесс лежит в основе производства низкообжиговых гипсовых
вяжущих?
1 Термическая обработка с целью частичной дегидратации.
2 Термическая обработка с целью полной дегидратации.
3 Термическая обработка с целью полной дегидратации и разложения.
4 Термическая обработка с целью полной дегидратации и полного разложения.
3 С какой целью для затворения гипсовых вяжущих берут воды больше, чем
требуется для химической реакции гидратации?
1 Для увеличения объема теста и экономии вяжущего.
2 Для повышения плотности и прочности гипсовых изделий.
3 Для обеспечения быстрого схватывания и твердения вяжущего.
4 Для получения однородного пластичного и удобоукладываемого теста.
4 Какой процесс определяет образование прочного камня при твердении гипса?
1 Образование пространственной коагуляционной структуры из коллоидных
частичек двугидрата.
2 Обезвоживание и уплотнение геля при испарении воды.
3 Экзотермическое выделение тепла при гидратации полуводного гипса.
4 Рост кристаллов двугидрата гипса и образование кристаллических сростков.
5 Каковы причины формирования развитой пористости в искусственном гипсовом камне?
1 Быстрое схватывание и формирование "дефектной" структуры.
2 Большое количество пузырьков воздуха, вовлеченных при затворении теста.
3 Значительная разница между количеством воды, вводимой при затворении. и
количеством воды, связываемой при гидратации гипса.
4 Заметное объемное расширение гипса при его схватывании и твердении.
6 В чем выражается показатель нормальной густоты гипсового теста?
1 В размере диаметра расплыва гипсового теста в миллиметрах при его вытекании из цилиндра вискозиметра Суттарда.
2 В процентах, как отношение массы воды, взятой при затворении, к массе
гипсового вяжущего,
77
3 В количестве воды в миллилитрах, взятой при эатворении гипса.
4 В стандартной консистенции гипсового теста, характеризуемой диаметром
расплыва 175…185 мм при вытекании из цилиндра вискозиметра Суттарда.
7 Каким периодом времени характеризуется конец схватывания гипса?
1 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика noгpузится в тесто не более чем на 39 мм.
2 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика впервые не дойдет до дна кольца.
3 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика погрузится в тесто не более чем на 1 мм.
4 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика не будет погружаться в тесто.
8 Каким периодом времени характеризуется начало схватывания гипса?
1 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика noгpузится в тесто не более чем на 39 мм.
2 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика впервые не дойдет до дна кольца.
3 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика погрузится в тесто не более чем на 1 мм.
4 От начала затворения до момента, когда игла прибора Вика не будет погружаться в тесто.
9 Чем характеризуют тонкость помола гипсового вяжущего?
1 Остатком на сите № 02 в процентах к первоначальной массе пробы.
2 Остатком на сите № 02 в граммах пробы массой 50 г.
3 Отношением массы, прошедшего через сито № 02 к первоначальной массе.
4 Количеством гипса в граммах, прошедшего через сито № 02.
10 В каком возрасте испытывают стандартные образцы для определения
марки гипса по прочности?
1 Через 15 минут после конца схватывания.
2 Через 1 час после начала затворения гипса водой.
3 Через 2 часа после начала затворения гипса водой.
4 Через 28 суток после изготовления.
11 В каких условиях рекомендуется эксплуатировать изделия на основе гипсовых вяжущих?
1 В сухих помещениях с температурой не выше 25°С.
2 В сухих помещениях с температурой не выше 50°С.
3 В сухих помещениях с температурой не выше 80°С.
4 В условиях среды с относительной влажностью воздуха до 90% и температурой до 30°С.
78
Лабораторная работа № 6
СТРОИТЕЛЬНАЯ ИЗВЕСТЬ
Общие сведения
Строительной известью называют минеральное вяжущее вещество, получаемое умеренным обжигом (не до спекания) карбонатных горных пород (известняков, мела, доломитов и т.п.), состоящих преимущественно из углекислого кальция СаСО3 и небольшого количества углекислого магния MgCO 3, а также примесей кварца и глины, которые ухудшают качество строительной извести.
В зависимости от содержания оксида магния MgO строительную известь разделяют на кальциевую (MgO<5 %), магнезиальную (MgO = 5…20 %) и
доломитовую (MgO = 20…40 %).
Получение строительной извести происходит по следующей реакции
СаСО3 = СаО + СО2.
В зависимости от характера последующей обработки получают следующие
виды извести:
− негашеная комовая (кипелка) СаО. Под действием воды известь гасится с
большим выделением тепла. Лучше применять куски одинакового размера. Это
связано с возможностью появления недожога и пережога извести. Воздушная
известь − единственное вяжущее вещество, которое переводится в тонкодисперсное состояние под действием воды (гашением), т.е. химическим путем. Является
полуфабрикатом для получения других видов извести. По скорости гашения различают быстрогасящуюся известь (скорость гашения менее 8 мин), средне гасящуюся известь (скорость гашения 8…25 мин) и медленногасящуюся известь
(скорость гашения более 25 мин);
− негашеная молотая (Смирнова) СаО. Данная известь представляет собой
тонкомолотый порошок извести-кипелки. Недостаток – быстрая потеря вяжущих
свойств из-за высокой гигроскопичности. Желательно использовать сразу после
помола. Время хранения 10…15 суток в сухих складах. Можно вводить тонкомолотые минеральные добавки. Для ускорения твердения вводят CaCL2, для замедления – гипс, H2SO4 и ЛСТ. Кроме того, гипс и H2SO4 повышают прочность;
− известь гидратная (пушонка). Получается в результате гашения негашеной
извести по реакции
СаО + Н2О = Са(ОН)2 + Q.
Тепла выделяется до 280 ккал/кг. При гашении следует добавлять 60…80 %
воды, тогда комья негашеной извести рассыпаются в порошок (пух), объем увеличивается в 2-3 раза. Если гашение происходит в замкнутом объеме, то появляются большие напряжения. Этот момент раньше использовали при раскалывании
горных пород.
Известь-пушонка, реагируя с СО2 воздуха, самопроизвольно переходит в известь-пыленку с потерей вяжущих свойств. Красочный слой при использовании
пыленки – отбеливает (пачкает), т.к. известь не затвердевает на окрашиваемой
поверхности и не сцепляется с ней;
79
− известковое тесто. Получается при добавлении в негашеную известь
200…300 % воды. Применяется для получения кладочных и штукатурных растворов;
− известковое молоко. Можно получать при добавлении воды более 400 % или
после отстаивания известкового теста. Применяют как лакокрасочный материал.
Качество известкового теста и известкового молока улучшается пропорционально
времени.
В зависимости от вида извести и условий твердения различают гидратное,
карбонатное и гидросиликатное твердение.
− гидратное твердение. Этот вид твердения происходит без выделения тепла,
т.к. гашение извести уже произошло вне теста. Эффект твердения обусловливается взаимным сцеплением и срастанием образующихся субмикроскопических частичек гидроксида кальция и усиливается тем, что из-за химического связывания
воды значительно увеличивается доля твердой фазы. При длительном твердении
происходит карбонизация раствора;
− карбонатное твердение. Процесс постепенного затвердевания растворных и
бетонных смесей, изготовленных из гашеной извести, при воздействии на них
СО2 воздуха по реакции
Са(ОН)2 + nН2О + СО2 = СаСО3 + (n+1)Н2О.
Одновременно протекает 2 процесса: кристаллизация гидроксида кальция
Са(ОН)2 из насыщенного водного раствора и образование СаСО3. Возможно также образование соединений типа СаСО3·nСа(ОН)2.·mН2О. Испарение воды
уплотняет массу. Дальнейшее высыхание упрочняет ее, но процесс твердения
идет очень медленно (месяцами и даже годами);
− гидросиликатное твердение. Процесс постепенного превращения известково-кремнеземистых смесей в камневидное тело, обусловленный образованием
гидросиликатов кальция при тепловлажностной обработке в автоклавах при давлении 8…10 атм и температуре 170…200 оС.
Са(ОН)2 + SiO2 + nН2О = СаО·SiO2·(n+1)Н2О.
Основные свойства строительной извести: белая, при твердении уменьшается
в объеме, медленно твердеет, кроме извести Смирнова. Прочность зависит от
условий твердения: при гидратном твердении прочность достигает 2 МПа через
28 суток, при карбонатном твердении прочность снижется, а при автоклавной обработке прочность может достичь 20 МПа. Применяется для получения растворов, бетонов низких марок, силикатного кирпича, известково-шлакового и известково-зольного кирпича, автоклавных материалов, смешанных вяжущих, красочных составов.
Цель работы
Изучить основные свойства строительной извести и исследовать возможность
их регулирования.
Порядок выполнения работы
80
Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания:
− определяет содержание в извести активных СаО+MgO;
− определяет скорость гашения извести.
1 Определение содержания в извести активных СаО+MgO.
Суммарное содержание в извести активных СаО+MgO (при наличии оксида магния до 5 %) определяют титрованием навески извести соляной кислотой НСL до тех пор, пока все активные частицы СаО и MgO не будут нейтрализованы кислотой. Для этого негашеную комовую, молотую или карбонатную
известь в количестве 4-5 г предварительно растирают в течение 5 мин в фарфоровой или агатовой ступке. Растертую известь в количестве 1 г (гидратную
известь в количестве 1,0…1,2 г) помещают в коническую колбу вместимостью
250 мл и наливают 150 мл дистиллированной воды. Затем добавляют 3…5 стеклянных бус или оплавленных кусочков стеклянных палочек (длиной 5…7 мм),
закрывают стеклянной воронкой (или часовым стеклом) и нагревают содержимое
колбы в течение 5…7 мин, не доводя до кипения.
Раствор охлаждают до температуры 20…30 °С. Стенки колбы и стеклянную
воронку смывают дистиллированной водой, добавляют 2…3 капли 1 %-го спиртового раствора фенолфталеина и титруют при постоянном взбалтывании раствором соляной кислоты до полного обесцвечивания. Титрование считается оконченным, если по истечении 8 мин не изменится цвет окрашивания содержимого
колбы. Титрование следует производить медленно, добавляя кислоту по каплям.
Содержание СаО+MgO (%) для негашеной извести определяется по формуле
А = VТ СаО 100/m,
(13)
где А - содержание (СаО+MgO), %; V − объем раствора 1Н соляной кислоты, пошедшей на
титрование, мл; Т СаО − титр 1Н раствора соляной кислоты, г по массе СаО; т − масса навески
извести, г.
Содержание СаО+MgO (%) для гидратной извести определяется с учетом ее
влажности W по формуле
А = VТ СаО 100/[m(100 – W)],
(14)
где А - содержание (СаО+MgO), %; V − объем раствора 1Н соляной кислоты, пошедшей на
титрование, мл; Т СаО − титр 1Н раствора соляной кислоты, г по массе СаО; т − масса навески
извести, г.
2 Определение скорости гашения извести
81
Гашение извести сопровождается выделением значительного количества тепла. При этом температура гасящейся извести повышается до определенного
максимума. С окончанием реакции прекращается выделение тепла, и температура смеси падает. Момент начала снижения температуры смеси является признаком прекращения реакции гашения извести.
Для определения скорости гашения извести используют прибор (рисунок
25), который состоит из термосной колбы 1, термометра со шкалой на 150 °С
2 и пробки 3,
Рисунок 25 − Прибор для определения скорости гашения извести
От измельченного порошка воздушной извести, хранившейся до испытания в
герметичном сосуде, берут навеску извести, масса которой определяется на основании определения активных СаО+MgO по формуле
M = 1000/А.
(15)
где А - содержание (СаО+MgO), %.
В условиях учебной лаборатории (не проводя испытаний на содержание активных СаО+MgO) можно принять размер навески 12 г. Навеску засыпают в
сосуд прибора, вливают 25 мл воды температурой 20 °С и закрывают пробкой, в которой плотно установлен термометр. При этом следят, чтобы ртут-
82
ный шарик термометра был погружен в реагирующую смесь 4. Через каждые
30 с фиксируют показания термометра и делают соответствующую запись в
журнале для лабораторных работ. Температура смеси сначала возрастает, а
затем начинает снижаться. Запись наблюдений прекращают с момента начала падения температуры. Время, прошедшее с момента затворения извести
водой до начала падения температуры, характеризует скорость гашения извести. На основании полученных данных в журнале для лабораторных работ
учащиеся строят графики, откладывая по оси абсцисс время от начала опыта,
по оси ординат температуру, а по максимуму устанавливают скорость гашения извести. По результатам испытания делается вывод о скорости гашения
извести, на основании которой определяют группу извести (таблица 24).
Таблица 24 – Технические требования к строительной извести
Значения показателя извести
кальциевой
магнезиальной
доломитовой
Показатель
Содержание
- в негашеной изСаО+ MgO, считая вести без добавок
на сухое вещество, То же, с добавками
% не менее:
Скорость
быстрогасящаяся, менее
гашения,
средне гасящаяся, не более
мин
медленногасящаяся, более
1
2
3
1
Сорт
2
90
80
70
85
75
65
85
75
65
65
55
-
60
50
-
60
50
-
8
8
8
8
8
8
8
8
8
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
3
1
2
3
Контрольные вопросы
1 Что представляет собой воздушная известь?
1 Продукт обжига не до спекания кальциево-магниевых карбонатных пород,
имеющих глинистых примесей до 6 %.
2 Продукт обжига не до спекания кальциево-магниевых карбонатных пород,
имеющих глинистых примесей от 6 до 20 %.
3 Продукт обжига не до спекания кальциево-магниевых карбонатных пород,
имеющих глинистых примесей более 25 %
4 Продукт обжига не до спекания кальциево-магниевых карбонатных пород,
имеющих глинистых примесей от 20 до 25 %
2 Как определяется время и температура гашения извести?
1 Время поднятия температуры при гашении до максимума.
2 Время начала снижения максимальной температуры при гашении извести.
3 Время и температура максимально развивающиеся при гашении извести.
83
4 Время и начало снижение температуры при гашении извести.
3 Какая известь относится к быстрогасящейся?
1 Если время гашения составляет не более 25 минут.
2 Если время гашения составляет более 25 минут.
3 Если время гашения составляет не более 8 минут.
4 Если время гашения составляет от 8 до 25 минут.
4 Чем определяется качество воздушной извести после обжига?
1 Количеством СаО+MgO
2 Размерами кристаллов СаО+MgO
3 Пористостью сухой смеси.
4 Количеством СаО+MgO, размерами кристаллов и пористостью.
5 Каково содержание активных СаО+MgO в извести 1 сорта?
1 Не менее 65 %
2 Не менее 75 %.
3 Не менее 85 %.
4 Не менее 95 %.
6 Какая воздушная известь относится к высоко экзотермической?
1 Если температура гашения 70 оС.
2 Если температура гашения 80 оС.
3 Если температура гашения 90 оС.
4 Если температура гашения не менее 90 оС.
7 Какова химическая формула воздушной негашеной извести?
1 СаО.
2 СаО.MgO.
3 Са(ОН)2.
4 СаСО3.
8 Какова химическая формула воздушной гашеной извести?
1 СаО.
2 СаО.MgO.
3 Са(ОН)2.
4 СаСО3.
Лабораторная работа № 7
ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ
Общие сведения
84
Цемент – обобщенное название группы гидравлических вяжущих веществ,
главной составной частью которых являются высокоосновные силикаты кальция
(70…80 %), образовавшиеся при высокотемпературном обжиге (до спекания)
природной ил специально подготовленной сырьевой смеси.
Портландцемент получается совместным помолом портландцементного клинкера и необходимого количества природного гипса. Гипс вводится для регулирования сроков схватывания (замедления) и для повышения коррозионной стойкости. Количество гипса не менее 3,5 % в пересчете на SO3.
Клинкер получается в результате обжига до спекания дисперсной смеси глины
(30…25 %) и известняка (75…80 %) или природного мергеля. Кроме того, в состав шихты вводятся мел и корректирующие добавки.
Для получения портландцемента химический состав клинкера должен содержать, масс. %: СаО = 63…66, SiО2 = 21…24, AL2O3 = 4…8, Fe2O3 = 2…4. Из этого
следует, что для получения портландцементного клинкера необходимо сырье, содержащее большое количество оксидов кальция, алюмосиликатов, а также некоторое количество оксидов железа. Этому условию отвечают широко распространенные осадочные горные породы – известняки глины, а также известковые мергели. В результате обжига сырьевой смеси образуются различные искусственные
минералы.
Основные клинкерные минералы: силикаты 3CaO· SiO2 − C3S (алит) и
2CaOSiO2 − С2S (белит) и плавни (целит) − 3CaO· AL2О3 − С3А и 4CaO· AL2О3 ·
Fe2О3 − C4АF. Кроме того, в состав клинкера входят клинкерное стекло и инертные минералы CaO· SiO2 − СS, 3CaO· AL2О3·2SiO2 − С3АS2, периклаз MgO, свободная известь СаО св, оксиды щелочных металлов и др.
В общем случае количество клинкерных минералов колеблется в достаточно
больших пределах: C3S = 40…75 %, C2S = 5…25 %, C3А = 2…15 % и C4АF =
5…20 %. Количество тех или клинкерных минералов определяет и название
портландцементов: высокоалитовые цементы имеют C3S > 60 %, алитовые цементы имеют C3S = 50…60 % и C3А не более 8 %, белитовые цементы имеют C2S >35
%, алюминатные цементы имеют C3А > 12 %.
Свойства клинкерных минералов представлены в таблице 25.
Тонкий порошок портландцемента при затворении водой образует пластичное
тесто, которое постепенно густеет, превращаясь в камневидное тело. Твердение
портландцемента обусловлено сложными химическими и физико-химическими
процессами взаимодействия клинкерных минералов с водой, в результате которых образуются новые гидратные соединения, практически нерастворимые в воде.
Таблица 25 – Основные свойства клинкерных минералов портландцемента
Минерал
Формула
прочность
Свойства минералов
скорость твердения
Стойкость
85
Алит
Белит
Целит
Целит
C 3S
C 2S
C4АF
C 3А
1
2
3
4
2
4
3
1
+
Не стоек к сульфатной коррозии
Уже в начальный период происходит быстрое взаимодействие алита с водой с
образованием гидросиликата кальция и гидроксида кальция
2(3СаО·SiО2) + 6Н2О = 3СаО2·SiО2·3Н2О + 3 Са(ОН)2.
Белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется меньше гидроксида кальция
2(2СаО·SiО2) + 4Н2О = 3СаО2·SiО2·3Н2О + Са(ОН)2.
Взаимодействие C3А с водой приводит к образованию гидроалюмината кальция
3СаО·AL2О3 + 6Н2О = 3СаО·AL2О3·6Н2О.
Для замедления сроков схватывания при помоле в состав смеси вводится гипсовый камень, который играет роль химически активной составляющей цемента,
реагирующей с C3А и связывающий его в гидросульфоалюминат кальция (эттрингит) в начале гидратации портландцемента
3СаО·AL2О3 + 3(CaSO4·2H2O) + 26Н2О = 3СаО·AL2О3·3CaSO4·32H2O.
В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном
тонкодисперсном состоянии. Осаждаясь на поверхности частиц 3СаОAL2О3, эттрингит замедляет их гидратацию и затягивает начало схватывания цемента. Заполняя поры цементного камня, эттрингит повышает прочность и стойкость.
Структура цементного камня улучшается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция.
C4АF при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит
4СаО·AL2О3·Fe2O3 + 10Н2О + 2Са(ОН)2 = 3СаО·AL2О3·6Н2О +3СаО·Fe2O3·6Н2О.
Гидроалюминат связывается природным гипсом, а гидроферрит входит в состав цементного геля.
В сформировавшемся цементном камне, даже после большого срока твердения, сохраняются не полностью гидратированные частицы клинкера, рассредоточенные среди гидратных новообразований.
К основным свойствам портландцемента относят:
− тонкость помола, характеризуемая остатком на сите 008 ≤ 15 %, что соответствует Sуд = 2500…3000 см2/г;
− водопотребность цементного теста, оцениваемая количеством воды (% от
массы цемента), необходимым для получения цементного теста нормальной
(стандартной) густоты: обычно бывает в пределах 21…28 %;
− сроки схватывания, определяемые на цементном тесте нормальной густоты;
Нсхв ≥ 45 мин, Ксхв ≤ 10 час;
− прочность, являющаяся главным показателем качества портландцемента и
определяемая по показателям пределов прочности при изгибе и при сжатии через
86
28 суток нормального твердения. По этим показателям устанавливается марка
портландцемента (таблица 26);
Таблица 26 – Требования к маркам портландцемента
Марка (класс) цемента
400
500
550
600
Предел прочности, МПа, не менее
при изгибе
при сжатии
5,4
39,2
5,9
49,0
6,1
53,9
6,4
58,8
− цвет – серый с зеленоватым оттенком;
− плотность 3,0…3,2 г/см3.
Регулировать свойства портландцемента можно различными способами, одним из приоритетных направлений является введение добавок. Добавки по степени влияния на свойства портландцемента и по назначению подразделяются на:
− компоненты вещественного состава (активные минеральные добавки АМД);
− наполнители, улучшающие зерновой состав цемента и структуру затвердевшего камня;
− технологические добавки, интенсифицирующие процесс помола цемента;
− добавки, регулирующие основные свойства цемента;
− добавки, регулирующие специальные свойства цемента;
Особая роль среди всего многообразия используемых добавок отводится ПАВ,
которые весьма эффективны при регулировании основных и специальных
свойств вяжущих веществ. Теоретическое определение оптимального количества
вводимых добавок пока еще затруднительно и поэтому в каждом конкретном
случае требуется проводить соответствующие экспериментальные исследования
для проверки их действия.
Цель работы
Изучить основные свойства портландцемента и исследовать возможность их
регулирования с помощью добавок. Определить марку портландцемента по прочности.
Порядок выполнения работы
Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания:
87
− определяет нормальную густоту НГ цементного теста;
− подбирает стандартную консистенцию цементно-песчаной растворной смеси и изготовляет из нее 3 образца-балочки размером 4х4х16 см;
− испытывает образцы-балочки в возрасте 28 суток для определения пределов
прочности при изгибе и сжатии;
− по результатам определения пределов прочности при изгибе и при сжатии
определяет марку цемента по прочности.
При этом дежурное звено студентов проводит все испытания в стандартных
условиях (без применения добавок), определяет тонкость помола и устанавливает
марку цемента по прочности, а другие звенья студентов проводят определения,
используя добавки. Добавка вводится в виде водного раствора известной концентрации.
Методы испытаний
1 Определение тонкости помола цемента
Тонкость помола определят ситовым анализом на приборе для механического
просеивания цемента (рисунок 26).
Для испытания отвешивают 50 г цемента, предварительно высушенного в сушильном шкафу в течение 2 час при температуре 105…110 оС, и высыпают его на
сито с размером отверстий 0,08 мм.
Процесс просеивания занимает 5…7 минут. Затем проводят контрольное просеивание вручную на лист глянцевой бумаги. Просеивание считается законченным, если в течение 1 минуты контрольного просеивания через сито проходит не
более 0,05 г цемента. По окончанию просеивания остаток на сите взвешивают с
погрешностью 0,01 г.
Тонкость помола определяют как остаток на сите 0,08 в процентах от первоначальной массы просеиваемой пробы, который должен быть ≤ 15 %.
2 Определение нормальной густоты цементного теста
Для исследования влияния добавки на пластично-вязкие свойства цементного
теста используется стандартный метод определения нормальной густоты цементного теста с применением прибора Вика (рисунок 13).
88
Рисунок 26 − Прибор для просеивания цемента
1 − станина; 2 − набор сит; 3 − стойки; 4 − упор для вращения сит;
5 − электродвигатель; 6 − шатунно-эксцентриковый механизм
Для приготовления цементного теста отвешивают 400 г цемента, который высыпают в сферическую металлическую чашу, предварительно протертую влажной тканью. Делают в цементе углубление, в которое вливают в один прием воду
в количестве, необходимом для получения теста нормальной густоты. Углубление засыпают цементом и через 30 с осторожно перемешивают, а затем энергично
растирают лопаткой. Общая продолжительность перемешивания и растирания
составляет 5 мин с момента добавления воды.
После этого кольцо прибора Вика наполняют в один прием цементным тестом
и 5-6 раз встряхивают его, постукивания пластинку о край стола. Поверхность теста выравнивают с краями кольца, срезая избыток теста ножом, протертой влажной тканью. Немедленно после этого приводят пестик прибора Вика в соприкосновение с поверхностью цементного теста в центре кольца и закрепляют стержень стопорным устройством. Затем стопорное устройство быстро освобождают,
и пестик свободно погружается в тесто. Через 30 с производят отсчет погружения
пестика в тесто по шкале. Нормальной густотой цементного теста считают такую
его консистенцию, при которой пестик прибора Вика не доходит на 5…7 мм до
пластинки, на которой установлено кольцо. При несоответствующей консистенции цементного теста изменяют количество воды и вновь затворяют тесто, добиваясь погружения пестика на нужную глубину.
Нормальную густоту характеризуют количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента с погрешностью 0,25 %. Нормальную густоту
89
устанавливают для каждой из указанных доз добавок. Для лучшего распределения добавки в объеме цементного теста, ее вводят в виде водного раствора. При
определении НГ цементного теста с добавкой следует учитывать то количество
воды, которое вносится с раствором добавки.
По результатам испытаний строится график зависимости нормальной густоты
цементного теста от количества вводимой добавки.
3 Изготовление образцов-балочек из цементно-песчаной растворной смеси
стандартной консистенции
Для определения стандартной консистенции цементно-песчаной растворной
смеси и изготовления 3 образцов-балочек размером 4х4х16 см отвешивают 1500 г
песка по ГОСТ 6139, 500 г цемента и высыпают в предварительно протертую
влажной тканью сферическую металлическую чашу. Перемешивают смесь сначала всухую до получения однородной массы, затем в ней делают лунку, вливают в
нее воду в количестве 200 г (В/Ц = 0,40), дают воде впитаться в течение 0,5 мин и
перемешивают смесь в течение 1 мин. Далее растворную смесь переносят в предварительной протертый влажной тканью механический смеситель (рисунок 27),
где ее перемешивают в течение 2,5 мин (20 оборотов чаши смесителя).
Рисунок 27 − Смеситель для перемешивания цементного раствора
1 − станина; 2 − смесительная чаша; 3 − откидная траверса;
4 − валик для перемешивания раствора.
По окончании перемешивания определяют консистенцию растворной смеси с
использованием встряхивающего столика 1 и металлической формы-конуса 7
следующим образом (рисунок 28).
90
Рисунок 28 − Встряхивающий столик
Растворную смесь укладывают в форму-конус 7 двумя слоями равной высоты.
Каждый слой уплотняют металлической штыковкой диаметром 20 мм: нижний
слой штыкуют 15 раз, верхний – 10 раз. Во время укладки и уплотнения смеси
конус прижимают рукой к стеклянному диску столика 6. Предварительно диск и
внутренняя поверхность формы-конуса протираются влажной тканью. Излишек
смеси срезают ножом и форму-конус медленно поднимают. Затем, вращая рукоятку маховика 8, встряхивают диск столика 30 раз в течение 30 секунд, при этом
смесь расплывается, сохраняя сплошность. Встряхивание происходит от кулачка
3 на валу 2 и стойки с роликом 4, на которой закреплен диск 5 со стеклом 6.
За стандартную консистенцию принимают ту, при которой расплыв конуса
находится в пределах 106…115 мм. При меньшем расплыве смесь готовят заново,
увеличивая количество воды затворения до получения расплыва конуса 106…115
мм. При большем расплыве конуса количество воды затворения уменьшают до
получения расплыва конуса 113…115 мм. Для получения хорошо сопоставимых
результатов рекомендуется сузить пределы допустимых изменений расплыва конуса до 109…112 мм.
При использовании пластифицирующей добавки общее количество воды затворения уменьшают, т.е. снижают В/Ц смеси, добиваясь в каждом случае стандартной консистенции.
91
По полученным результатам строится график зависимости В/Ц смеси от количества добавки для получения стандартной консистенции цементно-песчаной
растворной смеси.
Перед изготовлением образцов внутреннюю поверхность стенок форм и поддона слегка смазывают машинным маслом. На собранную форму устанавливают
насадку. Форму жестко закрепляют ее в центре виброплощадки, наполняют растворной смесью приблизительно на 1 см высотой и включают двигатель. В течение первых двух минут вибрации все три гнезда формы равномерно малыми порциями заполняют смесью. По истечении 3 мин от начала вибрации виброплощадку отключают, форму снимают с виброплощадки, срезают ножом, смоченным водой, излишек растворной смеси, заглаживают поверхность образцов вровень с
краями формы и маркируют их.
4 Хранение образцов до испытания
После изготовления образцы в формах хранят 22…26 часов в ванне с гидравлическим затвором при влажности 100 %, затем образцы осторожно вынимают из
формы и укладывают в ванну с водой в горизонтальном положении. Уровень воды над образцами должен находиться в пределах 2…10 см. Воду менять через
каждые 14 суток. Температура воды 18…22 оС.
5 Определение прочности образцов
Через 28 суток после изготовления образцы вынимают из воды и не позднее
чем через 30 мин испытывают по методике, описанной в работе № 5. Однако следует учесть некоторые требования стандартов, касающиеся испытания образцов
цемента:
− предел прочности цемента при изгибе в серии из 3 образцов-балочек вычисляют как среднее арифметическое двух наибольших результатов испытания;
− предел прочности цемента при сжатии серии из 6 образцов-половинок вычисляют как среднее арифметическое четырех наибольших результатов испытания;
− при определении предела прочности при сжатии средняя скорость нарастания нагрузки должна быть 1,5…2,5 МПа/с.
По результатам испытаний строится график зависимости пределов прочности
камня при сжатии и при изгибе от количества вводимой добавки.
Выводы по работе
92
По результатам испытаний образцов без добавки дать заключение о марке цемента по прочности. Провести анализ зависимости нормальной густоты цементного теста, В/Ц и механических свойств цемента от количества вводимой добавки. Установить оптимальную дозировку добавки и составить рекомендации по
регулированию свойств цемента пластифицирующей добавкой.
Контрольные вопросы
1 Какова роль гипсового камня в портландцементе?
1 Ускоряет сроки схватывания.
2 Сохраняет свойства при длительном хранении.
3 Придает белый цвет и повышает декоративность.
4 Повышает долговечность и увеличивает сроки схватывания.
2 Влияет ли увеличение расхода воды затворения на прочность цементного
камня?
1 Количество воды затворения не влияет на прочность камня.
2 С увеличением количества воды затворения прочность камня уменьшается.
3 С увеличением количества воды затворения прочность камня увеличивается.
4 С увеличением количества воды затворения прочность камня уменьшается в
начальный период твердения, а затем увеличивается.
3 Как влияет длительное хранение цемента на его активность?
1 Длительное хранение цемента понижает активность независимо от времени
года.
2 Длительное хранение цемента не влияет на его активность.
3 Длительное хранение цемента повышает его активность в летнее время.
4 Длительное хранение цемента снижает его активность в зимнее время.
4 К какому виду вяжущего вещества относится портландцемент?
1 Воздушные вяжущие вещества
2 Гидравлические вяжущие вещества
3 Кислотоупорные вяжущие вещества
4 Автоклавные вяжущие вещества
5 Как влияет тонкое измельчение вяжущего вещества на его химическую активность?
1 Тонкое измельчение вяжущего вещества понижает активность вяжущего вещества в химических реакциях.
2 Тонкое измельчение вяжущего вещества повышает активность вяжущего
вещества в химических реакциях.
3 Тонкое измельчение вяжущего вещества не влияет на его химическую активность.
93
4 Тонкое измельчение вяжущего вещества может повысить его химическую
активность только в присутствии катализатора.
6 Что является сырьем для производства портландцементного клинкера?
1 Известняки и гипсовый камень.
2 Известняки, глины, мергели.
3 Глины, диатомиты, трепелы, опоки.
4 Мергелистые известняки, мел, трепел.
7 Какова цель обжига сырьевых материалов при получении портландцементного клинкера?
1 Плавление сырьевой смеси до получения однородного по химическому составу клинкера.
2 Дегидратация и разложение глинистых минералов.
3 Декарбонизация известняков и выгорание органических примесей.
4 Спекание сырьевой смеси для образования клинкерных минералов.
8 Какие основные минералы входят в состав портландцементного клинкера?
1 3CaO·SiO2, 2CaO·SiO2, 3CaO·AL2О3, 4CaO·AL2О3 ·Fe2О3.
2 CaO·SiO2 , 3CaO·AL2О3·2SiO2 , периклаз MgO, свободная известь СаО св.
3 3СаО·2SiО2·3Н2О, Са(ОН)2, 3СаО·AL2О3.
4 3СаО·AL2О3·6Н2О, 3СаО·AL2О3·3CaSO4·32H2O.
9 За счет чего происходит схватывание цементного теста?
1 За счет испарения воды и загустевания цементного теста.
2 За счет связи извести, образующейся при гидратации силикатов кальция.
3 За счет карбонизации извести, образующейся при гидратации силикатов
кальция.
4 За счет коагуляции гидратных новообразований коллоидной дисперсности,
связывающих воду химически и физически.
10 Для чего определяется нормальная густота цементного теста?
1 Для сохранения активности цемента при его длительном хранении.
2 Для замедления сроков схватывания цементного теста.
3 Для ускорения сроков схватывания цементного теста.
4 Для расчета расхода воды при оценке сроков схватывания теста.
11 Чем характеризуется нормальная густота цементного камня?
1 Осадкой отформованного конуса из цементно-песчаной растворной смеси
при встряхивании на столике.
2 Количеством воды затворения, выраженным в процентах от массы цемента.
3 Глубиной погружения пестика прибора Вика в цементное тесто в мм.
4 Диаметром расплыва конуса на встряхивающем столике.
94
12 Как изменится водопотребность цементно-песчаной растворной смеси
при введении пластификатора в воду затворения?
1 Водопотребность цементно-песчаной растворной смеси не изменится.
2 Водопотребность цементно-песчаной растворной смеси уменьшится.
3 Водопотребность цементно-песчаной растворной смеси увеличится.
4 Водопотребность цементно-песчаной растворной смеси достигнет оптимального значения при заданном водоцементном отношении.
13 Почему при изготовлении марочных образцов из цементно-песчаной растворной смеси применяется специальный песок?
1 Этот песок обеспечивает получение максимальных прочностных показателей.
2 Этот песок имеет минимальную пустотность и водопотребность.
3 Этот песок обеспечивает оптимальную прочность при минимальном расходе
цемента.
4 Этот песок характеризуется постоянным зерновым составом и неизменной
водопотребностью.
14 В каких условиях твердеют образцы цементного раствора для определения
марки цемента?
1 Одни сутки над водой в форме и 27 суток в воде при температуре 18…22 оС.
2 Одни сутки над водой в форме и 27 суток на воздухе при температуре 18…22
о
С.
3 Одни сутки над водой в форме и 27 суток в паровоздушной среде при температуре 18…22 оС.
4 28 суток в воде при температуре 18…22 оС.
Лабораторная работа № 8
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
95
Общие сведения
Порошки минеральных вяжущих веществ при затворении водой образуют
вязко-пластичное тесто, благодаря свойствам которого бетонные и растворные
смеси обладают необходимой связностью, однородностью и формуемостью. При
рассмотрении общих причин пластичности и вязкости таких смесей особое внимание уделяется поверхностным явлениям, возникающим на границе раздела
твердой и жидкой фаз.
Молекулы поверхностных слоев жидкости или твердого тела отличаются от
молекул внутренних слоев тем, что всегда обладают некоторым избытком энергии за счет недостатка молекулярного взаимодействия с отсутствующим слоем
молекул. Эта нескомпенсированность молекулярных сил в поверхностных слоях
жидкостей и твердых тел определяет все виды их молекулярного взаимодействия:
поверхностное натяжение, смачивание, адсорбцию, капиллярную конденсацию,
капиллярное всасывание, испарение, диффузию, адгезию. Эти виды молекулярного воздействия определяют и ряд важнейших физико-химических процессов,
сопровождающих твердение вяжущих веществ: растворение, гидратацию, коллоидацию, коагуляцию и кристаллизацию. Поскольку эти явления, в свою очередь,
определяют процессы структурообразования искусственного камня, то они будут
влиять и на формирование его механических и эксплуатационных характеристик:
деформативность, жесткость, прочность, плотность, коррозионную стойкость и
долговечность.
Используя эффективные приемы воздействия на поверхностные явления в тесте вяжущего вещества, можно регулировать его пластично-вязкие свойства, кинетику процессов его схватывания и твердения, т.е. должны поддаваться управлению технологические свойства бетонных и растворных смесей и строительнотехнические свойства затвердевших бетонов и растворов.
Было установлено, что некоторые вещества при растворении в воде способны
даже в очень малых концентрациях адсорбироваться на поверхности раздела фаз
и существенно снижать избыточную энергию этой поверхности. Эти вещества
называют поверхностно-активными (ПАВ).
Поверхностно-активные вещества – органические соединения, в молекулах
которых входят одновременно полярная группа, например, ОН, СООН, Н2 и неполярная углеводородная цепь.
Для большинства ПАВ характерно линейное строение молекул, длина которых значительно превышает поперечные размеры, эти молекулы ассиметричны и
несбалансированны по энергии. Функциональная полярная группа обладает гидрофильностью, а углеводородный радикал отличается гидрофобностью. Вследствие этого на поверхность твердых частиц вяжущего вещества, гидрофильного
по природе, склонны налипать гидрофильные полярные «головки» молекул ПАВ,
как бы достраивая отсутствующий слой гидрофильных молекул. Избыток энергии поверхности частиц вяжущего вещества и самих молекул ПАВ при этом значительно уменьшается.
96
Согласно классификации академика П.А. Ребиндера поверхностно-активные
вещества делят по механизму их молекулярного действия на гидрофобизирующие, гидрофилизирующие, воздухововлекающие и комплексные.
Гидрофобизирующие ПАВ – это углеводороды с молекулами значительной
длины, обладающие большой молекулярной энергией, типа С2Н2n-1COOH, где n
равно 12…20 (олеиновая кислота, мылонафт). Гидрофильные части молекул такого типа ПАВ ориентируются на гидрофильной поверхности зерен вяжущего, а
гидрофобные радикалы образуют «частокол» вокруг частиц (рисунок 29). Такие
молекулярные пленки ухудшают смачиваемость частиц водой, что позволяет
уменьшить количество воды в смеси при сохранении ее подвижности. При наличии касательных сдвиговых усилий они служат плоскостями скольжения между
частицами и пластифицируют смесь. Следует учитывать, что присутствие такого
типа ПАВ в тесте вяжущего вещества ограничивает процессы гидратации в
начальный период и замедляет схватывание вяжущего теста. Гидрофобизирующие ПАВ вводят в количестве 0,06…0,20% от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки.
Рисунок 29 − Схема ориентации молекул гидрофобизирующих ПАВ на зерне
вяжущего вещества
1 – частица вяжущего вещества. 2 – гидрофильная часть молекул ПАВ. 3 – гидрофобная
часть молекул ПАВ
Гидрофилизирующие ПАВ – это углеводороды с молекулами небольшой длины и меньшей величиной молекулярной энергии. Представителем этого типа
ПАВ являются кальциевые соли лигносульфоновой кислоты, в частности, лигносульфонат кальция технический (ЛСТ). За счет сравнительно малой длины молекул этого типа ПАВ строгой их ориентации в адсорбционных слоях на частицах
вяжущего ожидать нельзя. Гидрофильные части молекул могут быть обращены
как в сторону твердой фазы, так и в противоположную сторону (рисунок 30), и
тем самым притягивать подобные им молекулы воды. Таким образом. Вокруг зерен вяжущего образуются адсорбционные слои молекул ПАВ и достаточно толстые слои молекул воды, снижающие внутреннее трение в смеси и играющие
роль гидродинамической смазки. Вследствие этого, а также благодаря физической адсорбции молекул ПАВ в устьях микротрещин зерен вяжущего и сглажи-
97
ванию шероховатостей микрорельефа зерен, смесь пластифицируется и возможно
снижение ее водопотребности. Гидрофилизирующие ПАВ вводят в количестве
0,15…0,30% от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки.
Они также замедляют схватывание и твердение вяжущих веществ за счет экранирующего эффекта.
Рисунок 30 – Схема ориентации молекул гидрофилизирующих ПАВ на зерне
вяжущего вещества
1 – частица вяжущего вещества. 2 – гидрофильная часть молекул ПАВ. 3 – гидрофобная
часть молекул ПАВ
Воздухововлекающие ПАВ – это углеводороды, уменьшающие силы поверхностного натяжения воды, что способствует вовлечению пузырьков воздуха при
перемешивании смеси. Воздухововлекающим ПАВ является, например, натриевая соль абиетиновой кислоты – смолы нейтрализованная воздухововлекающая
(СНВ). Вовлеченный в смесь воздух (6…10% от общего объема смеси) увеличивает ее объем, повышает пластичность за счет создания дополнительной поверхности раздела фаз с малым внутренним трением. Воздушные микропоры, образующиеся за счет этого типа ПАВ в камне вяжущего вещества, замкнуты, равномерно распределены и, выполняя роль своеобразных демпферов, могут существенно повысить морозостойкость искусственного камня.
Комплексные ПАВ – представляют собой комплексы добавок различного типа:
гидрофобно-пластифицирующих, гидрофобно-воздухововлекающих и т.п. Они
обладают полифункциональным действием и целесообразны еще и потому, что
появляется возможность получать водоразбавленные продукты в виде эмульсий
гидрофобизаторов в водных растворах гидрофильных добавок, тогда как многие
из технических гидрофобных ПАВ (мылонафт, асидол, олеиновая кислота) в воде
нерастворимы.
На практике применяют следующие способы введения добавок ПАВ в смеси:
- при помоле молекулы ПАВ адсорбируются на частиках вяжущего вещества
и затем вводятся в смесь совместно с этими вяжущими веществами;
- в виде водных растворов, которые смешиваются с водой завторения при приготовлении бетонных и растворных смесей;
98
- с минеральными порошками, добавляемыми в смеси.
Многие ПАВ хорошо растворимы в воде и поэтому их используют в виде водных растворов известной концентрации. Количество раствора добавки при этом
определяют по формуле:
Vр-ра = mв ∙ D / C ∙ ρ,
(16)
где Vр-ра – объем водного раствора добавки, м3; mв – масса вяжущего вещества в смеси,
кг; D – дозировка добавки, % от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки; С – концентрация водного раствора ПАВ,%; ρ – плотность водного раствора добавки ПАВ,
кг/м3.
Используя добавки ПАВ в технологии вяжущих веществ, бетонов и растворов,
удается уменьшить потерю активности вяжущего вещества при длительном хранении, замедлить процессы его схватывания и твердения, снизить водопотребность и повысить подвижность растворных и бетонных смесей, уменьшить их
расслаивание и водоотделение. Кроме того, добавки ПАВ позволяют повысить
плотность, морозостойкость, коррозионную стойкость, а в ряде случаев и прочность искусственного камня, а также снизить расход вяжущего вещества. Поэтому выбор конкретного вида добавки ПАВ, ее количество и эффект действия
должны быть тщательно изучены и обоснованы.
Цель работы
Изучить механизм действия добавок ПАВ и исследовать их влияние на некоторые свойства минеральных вяжущих веществ.
Порядок выполнения работы
Подгруппе студентов предлагается провести следующие испытания:
- изучить возможность получения гидрофобного цемента с подбором оптимальной дозировки гидрофобизирующего ПАВ;
- изучить возможность регулирования пластично-вязких свойств и сроков
схватывания гипсового теста пластифицирующей добавкой ПАВ.
При изучении гидрофобизации порошка цемента 1 звено студентов работает с
обычным портландцементом, а 2,3 и 4 звенья студентов – с портландцементом,
содержащим соответственно 0,05; 0,10; и 0,15% добавки олеиновой кислоты в
расчете на сухое вещество добавки от массы цемента.
При изучении влияния пластифицирующей добавки на свойства гипсового теста 1 звено студентов подбирает нормальную густоту теста без добавки и устанавливает на нем сроки схватывания гипса.
2,3 и 4 звенья студентов оценивают текучесть гипсового теста, подбирают его
нормальную густоту НГ и устанавливают сроки схватывания гипсового теста, со-
99
держащего соответственно 0,10; 0,15 и 0,25% добавки ПАВ в расчете на сухое
вещество от массы гипса.
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1 Гидрофобизация цемента
Для обеспечения указанных выше дозировок добавки берут различное количество портландцемента и добавляют в него одну каплю олеиновой кислоты, масса которой 0,03 г. Так, например, для дозировки 0,05 % необходимо добавить одну каплю к 60 г, для 0,10 % – к 30 г, а для 0,15 % – к 20 г цемента.
К портландцементу добавляют соответствующее количество ПАВ и тщательно перемешивают с растиранием в фарфоровой ступке. Для обеспечения однородного распределения добавки по всему объему цемента перемешивание следует производить в течение 7…10 мин.
Для опыта берут 10 г приготовленного цемента, разравнивают его на сухой
горизонтальной поверхности и на этот слой наносят пипеткой несколько капель
воды. Наблюдая за состоянием капель, фиксируют время от момента нанесения
капли до полного ее впитывания в слой цемента. На гидрофобном цементе вода
должна оставаться в виде свободно перемещающихся капель не менее 5 мин.
По результатам этого испытания строят график зависимости времени впитывания воды цементом от количества введенной гидрофобной добавки и устанавливают оптимальную дозировку добавки для придания цементу гидрофобных
свойств.
2 Оценка влияния пластифицирующей добавки на свойства гипсового теста
Сначала устанавливается нормальная густота гипсового теста без добавки по
стандартной методике, изложенной в работе № 5. Затем в тесто нормальной густоты вводят добавку-пластификатор в указанных выше дозах в виде водного
раствора известной концентрации, который предварительно смешивают с водой
затворения. При этом следует учитывать воду, вносимую в тесто с раствором добавки, уменьшая соответственно дозировку воды, обеспечивающую нормальную
густоту теста так, чтобы общее количество воды в тесте оставалось неизменным.
Контрольный пример
Для затворения гипсового вяжущего вещества массой 300 г используют водный раствор ПАВ (в данном случае ЛСТ) концентрацией 10 % и имеющий плотность 1,043 г/см3. Определяется количество раствора добавки для обеспечения
заданной дозировки 0,20 % в расчете на сухое вещество добавки от массы вяжущего вещества и количество воды затворения, если для теста из данного гипса
установлена нормальная густота, равная 46 %.
Объем раствора добавки, рассчитанной по формуле 17, будет равен 5,75 см3.
Количество воды затворения рассчитывается по формуле:
100
Взатв. = ВНГ – V р-ра ∙ ρ (1 – С/100),
(17)
где Взатв.– количество воды затворения, г; ВНГ – количество воды, требуемое для получения
гипсового теста нормальной густоты, г; Vр-ра – объем водного раствора добавки, см3; ρ – плотность водного раствора ПАВ, г/см3; С – концентрация раствора добавки, %.
Подставляя известные величины в формулу 17, получим
Взатв. = 0,46 ∙ 300 – 5,75 ∙ 1,043 ∙ (1-10/100) = 132,6 г.
Изучение возможности уменьшения количества воды затворения в тесте стандартной консистенции выполняют подбирая нормальную густоту с каждой из
вышеуказанных доз добавки-пластификатора.
По результатам испытаний строят график зависимости текучести и нормальной густоты гипсового теста от количества вводимой добавки.
3 Оценка влияния ПАВ на сроки схватывания гипса
Сначала для сравнительного анализа устанавливают сроки схватывания гипса
на тесте нормальной густоты без добавки. Затем определяют сроки схватывания
на гипсовом тесте нормальной густоты, содержащем различные количества добавки-пластификатора, которое подобрано в п. 2.
По результатам этих испытаний строят графики зависимости сроков схватывания гипсового теста от количества вводимой добавки.
Изучение влияния добавки ПАВ на свойства искусственного камня на основе
неорганических вяжущих предусмотрено в работе № 7.
По результатам лабораторной работы в целом делаются заключение об оптимальной дозировки добавки ПАВ для получения гидрофобного цемента, для пластификации и замедления сроков схватывания вяжущих веществ. Составляются
рекомендации по регулированию свойств вяжущих веществ с помощью поверхностно-активных веществ.
Контрольные вопросы
1 Какие вещества называются поверхностно-активными?
1 Вещества, которые вступают в активное химическое взаимодействие с поверхностью других веществ.
2 Вещества, оказывающие каталитическое воздействие на химические процессы, происходящие на границе раздела двух фаз.
3 Вещества, которые, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, существенно
понижают избыточную энергию этой поверхности.
4 Вещества, которые, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, существенно
увеличивают избыточную энергию этой поверхности.
101
2 Что представляют собой поверхностно-активные добавки к минеральным
вяжущим веществам?
1 Это минеральные тонкодисперсные порошки, способствующие пластификации растворных и бетонных смесей.
2 Это углеводороды с дифильными молекулами, имеющие гидрофильную полярную группу и гидрофобный углеводородный радикал.
3 Это растворы электролитов, ускоряющие или замедляющие твердение вяжущих веществ.
4 Это щелочные или сульфатные активизаторы гидравлической активности
вяжущих веществ.
3 Какие ПАВ обеспечивают сохранение активности вяжущих веществ при
длительном хранении?
1 Гидрофильного типа.
2 Воздухововлекающие.
3 Замедлители схватывания и твердения.
4 Гидрофобного действия.
4 Какими способами лучше вводить добавки ПАВ в бетонные смеси?
1 При помоле вяжущих веществ или в виде водного раствора совместно с водой затворения.
2 В момент укладки и уплотнения бетонной смеси.
3 В сухом виде при перемешивании бетонных смесей.
4 Совместно с мелким заполнителем, предварительно обработанным раствором добавки.
5 На чем основан эффект пластификации растворных и бетонных смесей добавкой ЛСТ?
1 Молекулы ЛСТ адсорбируются на зернах вяжущего вещества и улучшают
смачиваемость их поверхности, что приводит к увеличению дозировки воды при
затворении и повышает пластичность смеси.
2 Молекулы ЛСТ адсорбируются на зернах вяжущего вещества и удерживают
около их поверхности слои молекул воды, которые проявляют «смазочный» эффект, уменьшают трение между частичками и повышают пластичность смеси.
3 Молекулы ЛСТ снижают вязкость и поверхностное натяжение воды, способствуют воздухововлечению, что пластифицирует смесь.
4 Молекулы воды равномерно распределены в объеме воды затворения и снижают ее вязкость, что пластифицирует смесь.
6 Какое количество олеиновой кислоты следует считать оптимальным для
надежной гидрофобизации цемента?
1 Такое количество, при котором отдельные молекулы этой добавки адсорбированы частицами цемента и отталкивают от них молекулы воды.
102
2 Такое количество, при котором создаются плотные мономолекулярные слои
этой добавки на поверхности частиц цемента, гидрофобизирующие цемент.
3 Такое количество, при котором молекулы этой добавки покрывают частицы
цемента в несколько слоев и обеспечивают его гидрофобизацию.
4 Такое количество, при котором невозможна гидратация цемента при затворении его водой.
7 Одна капля олеиновой кислоты весит 0,03 г. Сколько капель этой добавки
надо добавить к 60 г цемента, чтобы обеспечить ее дозировку равную 0,10% от
массы цемента?
1 Одну каплю.
2 Две капли.
3 Три капли.
4 Четыре капли.
8 Какой портландцемент считают гидрофобным?
1 Тот, который не смачивается водой при затворении в течение 45 мин.
2 Тот, у которого начало схватывания наступает не ранее, чем через 45 мин.
3 Тот, на поверхности порошка которого вода остается в виде свободно перемещающихся капель в течение 5 мин и более.
4 Тот, который не гидратируется при затворении его водой.
9 Следует ли учитывать воду, в которой растворен ЛСТ, при подсчете нормальной густоты пластифицированного гипсового теста?
1 Следует, вычитая ее количество из общего объема воды затворения.
2 Следует, добавляя ее количество к общему объему воды затворения.
3 Не следует, т.к. эта добавка пластифицирует тесто и изменяет его нормальную густоту.
4 Не следует, т.к. нормальная густота гипсового теста устанавливается без
учета добавки.
10 Как влияет присутствие молекул гидрофилизирующей добавки на сроки
схватывания вяжущих?
1 Увеличивают начало схватывания и сокращают конец схватывания теста.
2 Ускоряют сроки схватывания и твердения.
3 Замедляют сроки схватывания и твердения.
4 Не влияет.
Лабораторная работа № 9
МЕЛКИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
Общие сведения
Мелкий заполнитель (песок) представляет собой механическую смесь минеральных частиц и зерен размером 0,16…5,00 мм, образовавшуюся в результате
103
естественного разрушения массивных горных пород (природные пески) или в результате дробления горных пород (дробленые пески).
Природные пески в зависимости от условий образования и залегания могут
быть речными, озерными, морскими, горными. Речные, озерные и морские пески
имеют округлую форму зерен, горные пески содержат остроугольные зерна с шероховатой поверхностью, что обеспечивает их лучшее сцепление с цементным
камнем. Однако горные пески обычно больше загрязнены вредными примесями.
Форма зерен дробленых песков остроугольная, поверхность шероховатая, но их
стоимость выше, чем у природных песков.
По минеральному составу различаю кварцевые, полевошпатные, карбонатные
пески. Для приготовления бетонов чаще применяют кварцевые пески.
Пески могут быть обогащенными, т.е. с улучшенными качественными показателями, в первую очередь, зерновым составом, что достигается применением
специального оборудования.
Природный и дробленый пески могут быть фракционированными, т.е. разделенными на две или более фракций.
В бетоне песок служит материалом для создания жесткого скелета, который
повышает плотность и прочность бетона. Кроме того, песок снижает усадку и
ползучесть бетона и бетонной смеси.
В рыхлой смеси заполнителей песок заполняет пустоты между зернами крупного заполнителя, в то же время, все пустоты между зернами песка должны быть
заполнены цементным тестом. Если в бетонной смеси цементным тестом заполнить только пустоты между зернами песка, то получится малоподвижная смесь,
которую практически невозможно уложить в форму. Кроме того, не будет обеспечен плотный контакт между зернами песка, что приведет к значительному
снижению прочности бетона. Для устранения этого недостатка необходимо раздвинуть зерна и окружить их оболочкой из цементного теста, которая обеспечить
необходимую подвижность смеси и скрепит рот твердении цемента зерна песка в
единый монолит. С целью сокращения расхода цемента (уменьшения объема цементного теста) следует применять пески с малой пустотностью и наименьшей
суммарной поверхностью частиц.
Наиболее подходящими являются крупные пески, содержащие оптимальное
количество средних и мелких фракций. С этих позиций установлены технические
требования к зерновому составу песков, пригодных для получения тяжелого бетона.
Для получения тяжелых бетонов используют природные пески с плотностью
зерен 1800…2800 кг/м3 оптимального зернового состава, при котором пустотность песка е превышает 38 %.
Прочность песка не регламентируется, однако следует учитывать, что на песке, содержащем зерна низкой прочности, высокомарочный бетон получить нельзя.
Стандартами ограничивается содержание пылевидных, глинистых и илистых
частиц в песке, которые повышают водопотребность песка, снижают прочность
бетона. В соответствии с ГОСТ 8736 содержание этих примесей, определяемые
104
отмучиванием, не должно превышать 3 % по массе в природном песке, 2 % − в
обогащенном песке и 5 % − в дробленом песке. Содержание глины в комках
должно быть не более 0,5 % по массе в природном песке и не более 0,25 % − в
обогащенном песке.
Цель работы
Изучить основные свойства песка и исследовать возможность и эффективность их использования для приготовления обычного тяжелого бетона.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов самостоятельно исследует предоставленную ему отдельную пробу песка и устанавливает возможность использования его для приготовления обычного тяжелого бетона. При этом пробы песка готовятся заранее для
четырех звеньев таким образом, чтобы все они имели различный зерновой состав
(либо используются пески разных месторождений).
При этом с каждой пробой проводятся следующие испытания:
− определяется насыпная плотность песка и подсчитывается его пустотность;
− изучается зерновой состав с определением модуля крупности МК и построением кривой просеивания;
− определяется удельная поверхность песка;
− определяется водопотребность песка.
Методы испытаний
1 Определение насыпной плотности песка и подсчет его пустотности
Среднюю сухую пробу песка массой от 5 до 10 кг просеивают сквозь сито с
круглыми отверстиями диаметром 5 мм. Затем песок, который прошел сквозь сито, насыпают с высоты 10 см в предварительно взвешенный мерный цилиндр емкостью 1 л до образования над верхом цилиндра конуса. Конус без уплотнения
песка срезают вровень с краями сосуда металлической линейкой, после чего сосуд взвешивают и вычисляют насыпную плотность по формуле
ρ нас = (m2 - m1)/V,
где ρ
нас
(15)
– насыпная плотность, кг\м3; m2 и m1 – массы мерного сосуда соответственно с
песком и без песка, кг; V – объем цилиндра, м3.
Определение производят дважды, при этом каждый раз берут новую порцию
песка. Показатель насыпной плотности песка подсчитывают как среднее арифметическое двух определений.
105
Песок, предназначенный для изготовления бетона класса В 15 и выше (М 200
и выше) или для бетона, используемого для изготовления конструкций, подвергающихся замораживанию и оттаиванию в насыщенном водой состоянии, должен
иметь насыпную плотность не менее 1550 кг/м3, в остальных случаях – не ниже
1400 кг/м3.
Пустотность песка подсчитывают в процентах с погрешностью 0,1 % по установленному значению насыпной плотности и значению плотности зерен песка
(указывается преподавателем) по формуле
V пуст = (1 - ρ нас /ρ п) 100 %,
(16)
где V пуст − пустотность песка, %; ρ п − плотность зерен песка, кг/м3.
2 Определение зернового состава и модуля крупности песка
Высушенную до постоянной массы пробу песка (2 кг) просеивают сквозь сита
с круглыми отверстиями диаметром 10 и 5 мм для выявления засоренности песка
зернами гравия.
Остатки на ситах взвешивают и вычисляют содержание в песке фракций с
размерами 5...10 мм (Гр 5) и свыше 10 мм (Гр 10) в процентах по массе. Применение песка для получения тяжелого бетона возможно в том случае, если остатки на
ситах будут не более 5 и 0,5 % соответственно.
Из пробы песка, прошедшей сквозь сито с размером ячейки 5 мм, отбирают
навеску массой 1000 г и просеивают сквозь набор сит с круглыми отверстиями
диаметром 2,5 мм и с сеткой с размером ячеек 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Окончанием просеивания служит отсутствие на листе бумаги зерен песка при контрольном просеивании каждого сита.
Частные остатки на каждом сите определяют по формуле
а i = m i /m .100 %,
(17)
где а i – частный остаток на сите, %; m i – масса остатка на данном сите, г; m – масса просеиваемой пробы, г.
Полные остатки на каждом сите в процентах А i определяют как сумму частных остатков на данном сите и на всех ситах с большим размером отверстий.
По полным остаткам на каждом сите в процентах строится график зернового
состава песка и сравнивается с областью зерновых составов песков, пригодных
для приготовления тяжелых бетонов различного назначения (рисунок 31).
Полные остатки А;, %
106
0,16
0,63
1,25
2,5
Размеры контрольных сит, мм
5
Рисунок 31 − График зернового состава песка
1 − допускаемая нижняя граница крупности песка (МК = 1,5);
2 − рекомендуемая нижняя граница крупности песка (МК = 2,0) для бетонов класса В15 и
выше, а также для бетонов безнапорных труб;
3 − нижняя граница крупности песка (МК = 2,5) для бетонов класса В25 и выше, а также для
бетонов напорных железобетонных труб;
4 − допускаемая верхняя граница крупности песков (МК = З,25)
Модуль крупности песка подсчитывается с погрешностью 0,01 по формуле
МК = (А 2,5 + А 1,25 + А 0,63 + А 0,315 + А 0,16)/100 %,
(18)
где А 2,5, А 1,25, А 0,63, А 0,315 и А 0,16 - полные остатки па соответствующих контрольных ситах, %.
Результаты определений записываются в таблицу и изображаются графически
в виде кривой просеивания.
Согласно ГОСТ 26633, если кривая просеивания испытываемого песка не выходит за пределы области, ограниченной стандартом, песок пригоден для приготовления бетона.
В соответствии с модулем крупности и остатком на сите № 0,63 пески делят на
группы, представленные в таблице 11.
Таблица 27 – Классификация песков по крупности
Группа песка
Очень крупный
Повышенной крупности
МК
Свыше 3,5
3,0...3,5
А 0,63,%
Свыше 75
65. ..75
107
Крупный
Средний
Мелкий
Очень мелкий
Тонкий
Очень тонкий
2,5...3,0
2,0…2,5
1,5…2,0
1,0…1,5
0,7…1,0
Менее 0,7
45…65
30…45
10…30
Менее 10
Не нормируется
Не нормируется
Согласно таблицы 11, устанавливают группу исследуемого песка. Кроме этого, определяется возможность применения исследуемого песка для бетонов тех
или иных марок исходя из того, что для тяжелых и мелкозернистых бетонов используется песок с модулем крупности 1,5...3,25. Причем для бетонов прочностью 20 МПа и выше МК должен быть не менее 2, а прочностью 35 МПа и выше
− не менее 2,5.
3 Определение удельной поверхности песка
Из пробы исследуемого песка, просеянной сквозь сито с круглыми отверстиями диаметром 5 мм, берут навеску около 300 г и высушивают до постоянной массы.
Удельную поверхность песка определяют при помощи пневматического поверхностемера (рисунок 19). В гильзу 1 на перфорированную бронзовую решетку
кладут кружок фильтровальной бумаги, затем всыпают часть исследуемого песка.
Гильзу при этом слегка постукивают о стол и тем самым уплотняют песок. Сверху на уплотненный песок укладывают второй кружок фильтровальной бумаги и
вставляют плунжер так, чтобы он своими упорами дошел до верхнего края гильзы, слегка допрессовывая песок. Гильза соединена с наполненным водой аспиратором 4, при этом краны 3, 5 и 6 должны быть закрыты.
Затем плунжер из гильзы вынимают и открывают сливной кран 3 аспиратора.
Когда на водяном манометре 7 установится постоянное разрежение Н, под струю
воды подставляют колбу 2 и одновременно включают секундомер. Истечение
жидкости продолжается до тех пор, пока ее уровень, снижаясь, не дойдет до метки на аспираторе. В этот момент отмечают величину разрежения по манометру (в
см водяного столба), закрывают сливной кран 3 и выключают секундомер, фиксируя продолжительность опыта τ в с. Затем определяют количество воды в колбе
в см3 при помощи мерного цилиндра. Температуру во время опыта контролируют
термометром.
108
Рисунок 32 − Пневматический поверхностемер
После окончания опыта песок из гильзы высыпают и определяют массу песка
в гильзе m с погрешностью 0,1 г. Определение насыпной плотности песка в
уплотненном состоянии ρˉ нас определяют по формуле
ρˉ нас = m/V 1,
где V 1 – объем гильзы, см3.
(19)
Далее по значениям установленной насыпной плотности ρˉ нас и плотности зерен песка ρ п подсчитывают его пустотность П в долях единицы в уплотненном
состоянии
П = 1 - ρˉ нас/ρ п .
(20)
На основании полученных результатов вычисляют удельную поверхность песка S уд по формуле
S уд
14 К _______ ___ _________
= ----- · √ Н.τ/ V в · √1/η · √П3/(1 – П)2 ,
ρп
(21)
109
где К – константа прибора; V в − объем воздуха, прошедшего в процессе опыта через слой
песка, равный объему воды в колбе, см3;
Определение удельной поверхности производят два раза, каждый раз применяя новую порцию песка. Величину удельной поверхности вычисляют с погрешностью 1 см2/г как среднее арифметическое двух определений.
В таблицах 28 и 29 представлены результаты определения вязкости и пустотности песка для использования данных значений при расчете удельной поверхности песка.
Таблица 28 − Зависимость вязкости воздуха от температуры
Температура воздуха, оС
___
Значения√1/η
16
18
20
22
24
26
28
74,79
74,58
74,37
74,16
73,96 73,78 73,58
П
0,470
0,475
0,480
0,485
0,490
0,495
0,500
0,505
0,510
0,515
0,520
0,525
0,530
0,535
0,540
0,545
0,550
_________
√П3/(1 – П)2
0,608
0,624
0,639
0,656
0,672
0,690
0,707
0,725
0,743
0,762
0,781
0,801
0,821
0,842
0,863
0,884
0,906
Таблица 29 − Пустотность песка
П
0,300
0,305
0,310
0,315
0,320
0,325
0,330
0,335
0,340
0,345
0,350
0,355
0,360
0,365
0,370
0,375
0,380
_________
√П3/(1 – П)2
0,235
0,242
0,250
0,258
0,266
0,274
0,283
0,292
0,300
0,309
0,319
0,328
0,338
0,347
0,357
0,367
0,378
П
0,385
0,390
0,395
0,400
0,405
0,410
0,415
0,420
0,425
0,430
0,435
0,440
0,445
0,450
0,455
0,460
0,465
_________
√П3/(1 – П)2
0,388
0,399
0,410
0,422
0,433
0,445
0,459
0,469
0,482
0,495
0,508
0,521
0,535
0,549
0,563
0,578
0,593
4 Определение водопотребности песка
Из портландцемента с известной нормальной густотой НГ и исследуемого
песка готовят растворную смесь состава 1:2 и, добавляя в него воды, подбирают
водоцементное отношение В/Ц, при котором расплыв конуса их этой растворной
смеси на стандартном встряхивающем столике будет равен 170 мм.
110
Для этого 600 г песка перемешивают с 300 г цемента в течение 1 мин всухую и
5 мин с водой. Расплыв конуса определяют по методике, описанной в лабораторной работе № 7.
Водопотребность песка В п вычисляется по формуле
В п = 0,5 (В/Ц – НГ),
(22)
где В/Ц – водоцементное отношение растворной смеси, определенное в результате опыта.
По результатам испытаний, выполненных всеми звеньями группы студентов
для песков различной крупности, строится графическая зависимость между показателями удельной поверхности и водопотребности песка.
Выводы по работе
По результатам исследований отдельные звенья студентов классифицируют
изучаемые пески по крупности и делают заключение о возможности их использования в качестве мелкого заполнителя для приготовления тяжелого бетона различного назначения. При этом следует учитывать данные по зерновому составу,
модулю крупности и насыпной плотности и их соответствия техническим требованиям. Строится и анализируется всей подгруппой студентов графическая зависимость водопотребности песка от его удельной поверхности. Отмечается пески
с наименьшими показателями пустотности и удельной поверхности.
Контрольные вопросы
1 Почему мелкий заполнитель для бетона должен иметь определенный зерновой состав?
1 Для повышения прочности песка.
2 Для улучшения сцепления песка с цементным камнем.
111
3 Для снижения пустотности песка и расхода цемента.
4 Для снижения усадочных деформаций бетона.
2 Почему ограничивается содержание пылевидных и глинистых примесей в
песке, применяемом для получения бетона?
1 Эти примеси повышают пустотностъ песка и расход цемента.
2 Эти примеси повышают водопотребность бетонной смеси и препятствуют
сцеплению песка с цементным камнем.
3 Эти примеси ухудшают пластичность бетонной смеси.
4 Эти примеси повышают прочность бетона.
3 Какую роль играют заполнители в бетоне?
1 Повышают однородность и пластичность бетонной смеси, обеспечивают высокое качество ее укладки и уплотнения.
2 Ускоряют процесс твердения бетона и обеспечивают набор значительной
прочности.
3 Создают жесткий каркас бетона, уменьшают деформации усадки при его
твердении, обеспечивают его плотность и прочность.
4 Снижают водопоглощение бетона и повышают его морозостойкость.
4 По каким характеристикам устанавливают пригодность песков в качестве
мелкого заполнителя для получения тяжелого бетона?
1 По прочности стандартных образцов-балочек из цементно-песчаного раствора, приготовленного на данном песке.
2 По диаметру расплыва стандартного конуса из растворной смеси на встряхивающем столике при определении водопотребности песка.
3 По минеральному и зерновому составам песка и содержанию вредных примесей.
4 По прочности исходной горной породы.
5 По каким показателям можно подсчитать пустотность песка?
1 По насыпной плотности и плотности зерен песка.
2 По удельной поверхности и модулю крупности.
3 По водопотребности песка.
4 По полным остаткам на контрольных ситах при просеивании песка.
6 Как изменится расход цемента в составе бетона при замене песка с водопотребностью 8 % на песок с водопотребностью 6 %?
1 Увеличится.
2 Не изменится.
3 Уменьшится.
4 Водопотребность песка не определяет расход цемента.
112
7 Чему равен полный остаток на сите при просеивании песка?
1 Сумме частных остатков на данном сите и всех ситах с меньшим размером
отверстий.
2 Сумме частных остатков на данном сите и всех ситах с большим размером
отверстий.
3 Сумме всех частных остатков, деленных на количество сит.
4 Сумме всех частных остатков, умноженных на количество сит.
8 Что такое модуль крупности песка?
1 Частное от деления на 100 всех полных остатков в процентах.
2 Частное от деления на 100 всех частных остатков в процентах.
3 Показатель, характеризующий полный остаток на сите с размером отверстий
0,63 мм.
4 Показатель, характеризующий максимальный размер зерен песка в мм.
9 На чем основано определение удельной поверхности песка при помощи пневматического поверхностемера?
1 На зависимости между удельной поверхностью песка и его объема в гильзе
поверхностемера.
2 На зависимости между удельной поверхностью песка и массой его навески в
гильзе поверхностемера.
3 На зависимости между удельной поверхностью песка и скоростью стационарного воздушного потока через слой песка.
4 На зависимости между удельной поверхностью песка и разряжением в системе поверхностемера, установленному по водному манометру.
10 Как подсчитать водопотребность песка?
1 В процентах из отношения количества воды, взятой для приготовления цементно-песчаной растворной смесит заданной подвижности, к массе песка в этой
смеси.
2 Как разность между В/Ц растворной смеси и НГ цемента, взятого для его
приготовления.
3 В процентах, как половину разности между В/Ц растворной смеси и НГ цемента, взятого для его приготовления.
4 В процентах, как сумма В/Ц растворной смеси и НГ цемента, взятого для его
приготовления.
Лабораторная работа № 10
КРУПНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ ДЛЯ БЕТОНА
Общие сведения
Крупный заполнитель (гравий, щебень) представляет собой механическую
смесь минеральных частиц и зерен размером 5…70 мм, образовавшуюся в ре-
113
зультате естественного разрушения массивных горных пород (гшравий) или в результате дробления горных пород (щебень).
Гравий в зависимости от условий образования и залегания могут быть речными, озерными, морскими, горными. Речной, озерный и морской гравий имеют
округлую форму зерен, горный гравий содержит остроугольные зерна с шероховатой поверхностью, что обеспечивает их лучшее сцепление с цементным камнем. Однако горный гравий обычно больше загрязнен вредными примесями.
Форма зерен щебня остроугольная, поверхность шероховатая, но их стоимость
выше, чем у гравия. Щебень получают из магматических (гранит, диабаз), осадочных (известняк, доломит) и метаморфических (кварцит) горных пород.
Крупный заполнитель может быть обогащенным, т.е. с улучшенными качественными показателями, в первую очередь, зерновым составом, что достигается
применением специального оборудования. Кроме того, он фракционируется т.е.
разделяется на отдельные фракции. Различают следующие фракции крупного заполнителя: 5-10, 10-20, 20-40 и 40-70 мм. Первая цифра означает наименьший
размер частиц в данной фракции, а вторая – наибольший размер частиц. При
необходимости составляют смеси из двух-трех смежных фракций. Выбор фракции крупного заполнителя для приготовления тяжелого бетона зависит от многих
факторов, главными из которых является толщина бетонного изделия и частота
армирования ЖБК. Одной из главных характеристик крупного заполнителя является максимальный размер (наибольшая крупность НК) частиц данной фракции.
НК не должна превышать:
− 1/3 наименьшего размера поперечного сечения конструкции (толщины);
− ¾ расстояния между стержнями рабочей арматуры.
В бетоне крупный заполнитель служит материалом для создания жесткого
скелета, который повышает плотность и прочность бетона. Кроме того, крупный
заполнитель снижает усадку и ползучесть бетона и бетонной смеси.
Зерновой состав назначают также из условия получения наименьшего объема
пустот в крупном заполнителе, что обеспечивает наименьший расход цемента
при приготовлении бетона. С этих позиций зерновой состав должен соответствовать следующим требованиям (таблица 30).
Прочность крупного заполнителя нормируют с учетом прочности ( марки или
класса) бетона. Так, прочность щебня из естественного камня должна быть выше
прочности бетона не менее чем в 1,5 раза для бетонов класса ниже В 20 и в 2 раза
для бетонов класса В 20 и выше. Крупный заполнитель для тяжелых бетонов
должен иметь марку по прочности не ниже 800 – из магматических горных пород,
не ниже 600 – из метаморфический горных пород и не ниже 300 – из осадочных
горных пород. При этом марка по прочности характеризуется пределом прочности при сжатии исходной горой породы в водонасыщенном состоянии.
Таблица 30 − Зерновой состав крупного заполнителя*
Размер отверстий контрольных сит
d = 5(3) мм
Полный остаток, % по массе
95…100
114
d = 10 мм и более
0,5 (d + Д) для одной фракции
0,5 (d + Д) для смеси фракции
Д
1,25 Д
90…100
40…80
50…70
0…10
0
* - зерновой состав фракции менее 5 мм (запесоченность) ограничивается 5 %.
Однако прочность исходной горной породы не дает полного представления о
прочности смеси зерен заполнителя, которая определена также крупностью и
формой этих зерен. Кроме того. Потребитель, получая готовый щебень, не всегда
может получить образцы исходной горной породы для испытания. Поэтому действующие стандарты предусматривают косвенное определение прочности заполнителя путем сжатия (раздавливания) пробы в цилиндре – дробимости. Для соотносительной оценки марки щебня по прочности можно воспользоваться результатами испытаний его дробимости: марка 1400 должна иметь до 12 % раздробленных зерен, марка 1200 – 12…16 %, марка 1000 – 16…20 %, марка 800 – 20…25 %.
Марки крупного заполнителя по дробимости Др 8, Др 12, Др 16, Др 20 и т.д.
Цифра соответствует процентному содержанию раздробленных зерен при проведении испытаний.
Для бетонов класса В 25 и выше используют заполнитель марок не ниже Др 8,
для бетонов класса В 20 – не ниже Др 12, для бетонов класса менее В 20 – не ниже Др 16.
Качество крупного заполнителя для тяжелого бетона определяется также другими характеристиками. Лимитировано содержание зерен слабых (выветрелых)
горных пород с пределом прочности менее 20 МПа в щебне: не более 10 5 по
массе для обычных бетонов и не более 5 % − для бетонов ответственных сооружений.
Ограничивается содержание зерен пластинчатой и игловатой формы:
− не более 35 % для щебня обычной формы;
− не более 25 % для щебня улучшенной формы;
− не более 15 % для щебня кубовидной формы.
Щебень для тяжелых бетонов должен иметь плотность зерен не менее 1800
кг/м3. Водопоглощение щебня, определяемое открытой пористостью и состоянием поверхности не должно превышать 5 % по массе. Количество вредных примесей (пылевидные, илистые, глинистые). определяемые отмучиванием, не должно
превышать 1…3 % по массе. Наличие глины в комках не должно быть более 0,25
% по массе.
Цель работы
Изучить основные свойства щебня и исследовать возможность и эффективность его использования для приготовления обычного тяжелого бетона.
Порядок выполнения работы
115
Каждое звено студентов самостоятельно исследует предоставленную ему отдельную пробу щебня и устанавливает возможность использования его для приготовления обычного тяжелого бетона. При этом пробы щебня готовятся заранее
для четырех звеньев таким образом, чтобы все они имели различный зерновой
состав (либо используются заполнители разных месторождений).
При этом с каждой пробой проводятся следующие испытания:
− определяется насыпная плотность щебня и подсчитывается его пустотность;
− изучается зерновой состав с определением наибольшей крупности НК и построением кривой просеивания;
− определяется дробимость щебня;
− определяется водопотребность песка.
Методы испытаний
1 Определение насыпной плотности щебня и подсчет его пустотности
Среднюю сухую пробу щебня насыпают с высоты 10 см в предварительно
взвешенный мерный цилиндр до образования над верхом цилиндра конуса. Конус
без уплотнения щебня срезают вровень с краями сосуда металлической линейкой,
после чего сосуд взвешивают и вычисляют насыпную плотность по формуле
ρ нас = (m2 - m1)/V,
(23)
где ρ нас – насыпная плотность, кг\м3; m2 и m1 – массы мерного сосуда соответственно с
щебнем и без щебня, кг; V – объем цилиндра, м3.
Объем мерного сосуда выбирается в зависимости от крупности щебня. Так для
щебня с НК = 20 мм объем равен 10 л.
Определение производят дважды, при этом каждый раз берут новую порцию
щебня. Показатель насыпной плотности щебня подсчитывают как среднее арифметическое двух определений.
Пустотность щебня подсчитывают в процентах с погрешностью 0,1 % по установленному значению насыпной плотности и значению плотности зерен песка
(указывается преподавателем) по формуле
V пуст = (1 - ρ нас /ρ щ) · 100 %,
(24)
где V пуст − пустотность щебня, %; ρ щ − плотность зерен щебня, кг/м3.
2 Определение зернового состава и наибольшей крупности щебня
Высушенную до постоянной массы пробу щебня просеивают сквозь
сита с круглыми отверстиями диаметром 70, 40, 20, 10, 5 и 3 мм.
Масса пробы зависит от НК щебня: Для фракций 5-10, 10-20, 20-40 и 40-70
масса пробы щебня составляет соответственно 5, 10, 20, 30 и 50 кг. Определяют
116
частные и полные остатки на ситах по методике, представленной в лабораторной
работе № 9.
Результаты заносят в соответствующую таблицу журнала лабораторных работ
и определяют зерновой состав. Для построения графика зернового состава щебня
необходимо установить наибольший диаметр Д и наименьший диаметр d пробы
щебня, найти значения 0,5 (d + Д) и 1,25 Д. За НК щебня принимают размер отверстий того сита, на котором полный остаток не превышает 10 %, а за наименьший размер – размер отверстий того сита, на котором полный остаток составляет
не менее 95 %.
3 Определение дробимости щебня
Для определения марки щебня применяют цилиндр диаметром 150 мм, а для
текущего контроля качества щебня фракции 5-10 и 10-20 мм можно использовать
также цилиндр диаметром 75 мм.
Пробу высыпают в цилиндр с высоты 50 мм так, чтобы после разравнивания
верхний уровень материала примерно на 15 мм не доходил до верхнего края цилиндра. В цилиндр вставляют пуансон, верхняя плита которого должна быть на
уровне верхнего края цилиндра.
При испытании на гидравлическом прессе нагрузку доводят до 50 кН (5 т) для
цилиндра диаметром 75 мм и 200 кН (20 т) − для цилиндра диаметром 150 мм.
После сжатия испытываемую пробу высыпают из цилиндра, взвешивают и
просеивают через сито, размер отверстий которого равен:
− для фракции 5-10 применяют сито с размером ячейки 1,25 мм;
− для фракции 10-20 применяют сито с размером ячейки 2,5 мм;
− для фракции 20-40 применяют сито с размером ячейки 5 мм.
Дробимость подсчитывают по формуле
Др = (m1 - m2)m1·100 %,
(25)
где Др – дробимость, %; m1 – масса пробы до испытания. кг; m2 – масса остатка на сите после просеивания раздробленного в цилиндре щебня, кг.
Дробимость определяют по результатам испытаний двух проб. При испытании щебня, состоящего из смеси двух или более смежных фракций, дробимость
вычисляют как средневзвешенное значение результатов испытания отдельных составляющих фракций.
4 Определение водопотребности щебня
Водопотребность щебня определяется по упрощенной методике. Высушенную
до постоянной массы пробу щебня, равную 2 кг, погружают в сетчатом стакане в
сосуд с водой. Уровень воды в сосуде был выше верхнего слоя зерен щебня на
2…10 см. Щебень выдерживают в воде в течение 30 мин, извлекают его и дают
117
стечь воде в течение 30 мин. После этого щебень взвешивают и определяют водопоглощение с погрешностью 0,1 % по формуле
Wm = (mнас - mсух)/mсух·100 %,
(26)
где W m – водопоглощение,, %; m нас – масса пробы щебня после насыщения водой, кг; m
–
масса пробы щебня до испытания, кг.
сух
Выводы по работе
По результатам исследований отдельные звенья студентов классифицируют
изучаемые пробы щебня по НК и делают заключение о возможности их использования в качестве крупного заполнителя для приготовления тяжелого бетона
различного назначения. При этом следует учитывать данные по зерновому составу, НК и насыпной плотности и их соответствия техническим требованиям. Отмечается пробы щебня с наименьшими показателями пустотности, наличием зерен пластинчатой, игловатой формы и наличия пылеватых и глинистых частиц.
Контрольные вопросы
1 Какие горные породы используются в качестве сырья для производства
щебня для получения тяжелого бетона?
1 Известняк, гранит, мрамор, трахит.
2 Известняк, песчаник, мрамор, кварцит, сланцы
3 Мрамор, известняк, трахит, кварцит, порфир, порфирит.
4 Известняк, гранит, мрамор, диатомит
2 Чем характеризуют зерновой состав щебня?
1 Размерами зерен щебня.
2 Полным остатком на сите 10 мм.
3 Содержанием мелкой фракции менее 5 мм.
4 Содержанием крупной фракции более 20 мм.
3 С чем связаны ограничения по зерновому составу крупного заполнителя для
тяжелых бетонов?
1 С видом применяемого вяжущего вещества.
2 С наличием мелкого заполнителя.
3 С отсутствием мелкого заполнителя.
4 С толщиной изделия и частотой армирования ЖБК.
118
4 С чем связано ограничение содержание пластинчатых (лещадных) и игловатых зерен в крупном заполнителе для тяжелых бетонов?
1 Со снижением прочности при изгибе ЖБИ
2 С толщиной изделия и частотой армирования ЖБК.
3 С размерами зерен щебня.
4 С отсутствием мелкого заполнителя в бетоне.
5 К чему приводит наличие глины в комках в щебне?
1 К снижению пластичности бетонной смеси.
2 К повышению пластичности бетонной смеси.
3 К снижению прочности бетона.
4 К повышению прочности бетона.
6 Как влияет пустотность щебня на расход цемента?
1 Увеличивает расход цемента.
2 Снижает расход цемента.
3 Не влияет не при каких условиях.
4 Пустотность щебня величина постоянная.
7 Какой вид крупного заполнителя рациональнее использовать для получения
подвижной бетонной смеси?
1 Щебень.
2 Гравий.
3 Смесь гравия и щебня.
4 Вид применяемого крупного заполнителя не влияет на подвижность бетонной смеси.
8 Как определяется дробимость щебня, состоящего из смеси фракций?
1 При испытании щебня, состоящего из смеси двух или более смежных фракций, дробимость определяется как средневзвешенное значение результатов испытания отдельных составляющих фракций.
2 При испытании щебня, состоящего из смеси двух или более смежных фракций, дробимость определяется по средней пробе.
3 При испытании щебня, состоящего из смеси двух или более смежных фракций, дробимость определяется по зерновому составу.
4 При испытании щебня, состоящего из смеси двух или более смежных фракций, дробимость определяется по размеру применяемого сита.
9 В чем отличие дробленых заполнителей от природных?
1 В форме и размерах зерен.
2 В поверхности зерен
3 В пористости.
4 В водопоглощении.
119
10 На какие фракции подразделяют крупный заполнитель?
1 5-15, 15-30, 30-50, 50-70.
2 5-10, 10-20, 20-40, 40-70.
3 5-20, 15-30, 40-50, 50-70.
4 10-15, 15-25, 30-40, 40-60.
11 Какая форма зерен щебня предпочтительней для качественного заполнителя?
1 Пластинчатая форма.
2 Близкая к кубической форме.
3 Игловатая форма.
4 Близкая к форме параллелепипеда.
Лабораторная работа № 11
РАСЧЕТ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
Общие сведения
Расчет состава тяжелого бетона производится для получения необходимых
свойств бетона в конструкциях, установленных государственными стандартами,
120
техническими условиями и проектной документацией на эти конструкции при
минимальном расходе цемента. От правильного назначения состава бетона зависят его свойства, долговечность и экономическая эффективность. Для правильного назначения количества компонентов бетона на единицу его объёма (обычно на
1 м3) студенты четко должны представлять факторы, влияющие на качество и
свойства бетона, понимать основные принципы метода расчета.
Для расчёта состава тяжелого бетона используется метод абсолютных объёмов, который базируется на следующих принципах:
− прочность бетона зависит от активности вяжущего, качества применяемых
материалов, цементно-водного отношения (Ц/В) и средней плотности;
− так как для тяжелого бетона применяются плотные заполнители, то средняя
плотность бетона зависит от степени уплотнения бетонной смеси, количества воды затворения и соотношения компонентов;
− в бетонной смеси оптимального состава компоненты находятся в «абсолютно плотном состоянии». Пустоты крупного заполнителя заполняются мелким заполнителем, а пустоты мелкого заполнителя заполняются цементным тестом. Если такая бетонная смесь хорошо уплотнена, то и бетон из неё будет достаточно
плотным, прочным и долговечным;
− существенное влияние на качество бетона оказывает цементно-водное отношение (Ц/В), которое характеризует плотность цементного камня. Чем больше
воды приходится на единицу массы цемента в бетоне, тем больше останется при
определённых условиях твердения несвязанной химически и адсорбционной воды, что будет повышать пористость цементного камня, снижать его плотность,
прочность и долговечность.
Цель работы
Изучить и овладеть порядком расчёта состава тяжелого бетона по методу абсолютных объёмов.
Порядок выполнения работы
На лабораторном занятии студенты изучают теоретические предпосылки и
этапы расчёта состава тяжелого бетона по методу абсолютных объёмов. Затем
каждый студент выполняет самостоятельно один из вариантов задания на расчёт
состава тяжёлого бетона, приведённых в таблице 47.
Пример расчёта состава бетона
Требуется подобрать состав тяжелого бетона М 300 (В 22,5), предназначенного для изготовления железобетонных забивных свай при коэффициенте вариации
прочности бетона V п = 10 %, обеспечивающий получение после тепловлажностной обработки ТВО отпускной прочности R о. Бетон изготовляется из бетонной
смеси с маркой по удобоукладываемости П 2 (осадка конуса 4…6 см) и маркой
121
бетона по морозостойкости F 200. Проектное задание на расчет состава бетона с
необходимыми характеристиками исходных материалов приведено в таблице 31.
Таблица 31 − Задание на расчет состава тяжёлого бетона
Характеристики
Бетона
Бетонной
смеси
Цемента
Песка
природного
Крупного
заполнителя
Наименование показателей
Класс по прочности при сжатии
Коэффициент вариации прочности
Отпускная прочность
Марка по морозостойкости
Подвижность
Воздухововлечение
Наименование (вид)
Активность (марка)
Активность при пропаривании
Нормальная густота
Плотность истинная
Плотность насыпная
Модуль крупности
Плотность зёрен
Плотность насыпная
Водопотребность
Влажность
Вид (горная порода)
Плотность зёрен
Плотность насыпная
Наибольшая крупность
Влажность
Зерен лещадной формы
Обозначение
В
Vп
Rо
F
ОК
ВВ
Единицы
измерения
МПа
%
%
циклы
см
%
–
–
Rц
R цп
НГ
ρц
ρ ц нас
МК
ρп
ρ п нас
Вп
ωп
МПа
МПа
%
г/см3
г/см3
г/см3
г/см3
%
%
–
–
Ρщ
Ρ щ нас
НК
ωщ
г/см3
г/см3
Мм
%
%
–
–
Значения
22,5
10
100
200
4…6
4
ПЦ Д-5
50
32,7
28,5
3,0
1,2
2,5
2,65
1,72
6,0
4,0
щебень (гранит)
2,60
1,48
20
3,0
39
В качестве вяжущих веществ для приготовления тяжелого бетона следует
применять портландцемент и его разновидности, отвечающие требованиям ГОСТ
10178, а также сульфатостойкие и пуццолановые цементы по ГОСТ 22266 и цементы по действующим техническим условиям. Марку цемента следует выбирать
в зависимости от проектной марки (класса) бетона по прочности при сжатии
(таблица 31).
Для бетонов, подвергаемых ТВО, следует применять цементы I или II групп
эффективности при пропаривании по ГОСТ 22236 (таблица 32), применение цементов III группы одинаковых видов и марок нецелесообразно, так как вызывает
значительное повышение расхода цемента.
Таблица 32 − Группы цементов по эффективности при пропаривании
Группа Цемент
цемента
Rц, МПа, после ТВО 2+3+6+2 при 80 оС для цементов марок
300
400
500
550,600
122
І
ІІ
ІІІ
ПЦ
ШПЦ
ПЦ
ШПЦ
ПЦ
ШПЦ
> 23
> 21
20…23
18…21
< 20
< 18
> 27
> 25
24…27
22…25
< 24
< 22
> 32
> 30
28…32
26…30
< 28
< 26
> 38
–
33…39
–
< 33
–
При использовании цемента высоких марок для получения бетонов низких марок рекомендуется для обеспечения требуемой удобоукладываемости вводить в
состав бетонной смеси активные минеральные добавки АМД: золы, молотые доменные гранулированные шлаки, природные пуццоланы. При наличии цементов
разных видов и марок следует учитывать коэффициенты их эффективности (таблица 33).
Таблица 33 − Коэффициенты эффективности различных видов и марок цемента
Коэффициент
Межмарочный
Межвидовой
Марка и вид цемента
300
400
500
550, 600
ПЦ Д-0, ПЦ-Д 5
ПЦ Д-20, ПЦ Д-20 Б
ШПЦ, ШПЦ-Б
ППЦ
Коэффициент
1,20
1,00
0,88
0,8
0,91
1,00
1,05, 1,10*
1,12
* – для бетона сборных конструкций 1,05, монолитных – 1,10.
Выбор вида цемента для различных условий работы конструкций следует производить по ГОСТ 10178, ГОСТ 23464 с учетом требований ГОСТ 26633, касающихся условий использования цементов для производства различных видов конструкций и предъявляемых к ним требований. Применение пуццолановых цементов для бетонов сборных ЖБК из-за повышенной водопотребности не рекомендуется.
Для бетона дорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и
безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек опор
ЛЭП должен применяться портландцемент на основе клинкера с нормированным
минералогическим составом (С3А ≤ 8 %). Для бетона дорожных оснований допускается применение ШПЦ.
Для бетонов с марками по морозостойкости F 200, F 300 рекомендуется применять портландцементы ПЦ Д-0, ПЦ Д-5, ПЦ Д-20, использование ШПЦ или
ППЦ для таких бетонов не допускается. Для бетонов с маркой по морозостойкости F 400 и выше следует использовать портландцементы ПЦ Д-0, ПЦ Д-5 или
сульфатостойкие портландцементы.
123
Введение добавок при изготовлении изделий из бетона или железобетона обязательно в следующих случаях:
− для приготовления высокоподвижных или литых бетонных смесей с осадкой
конуса не менее 10 см, а также при марке бетона равной или большей марки цемента необходимо использование пластификаторов или суперпластификаторов;
− для изделий из бетона с повышенной морозостойкостью (марки F 200 и более) необходимо введение воздухововлекающих или пластифицирующевоздухововлекающих добавок;
− для агрессивных условий эксплуатации должны вводиться добавки повышающие стойкость бетона и его защитные свойства по отношению к арматуре;
− для бетона с повышенными требованиями по водонепроницаемости (марка
W 6 и более) вводятся уплотняющие добавки.
Помимо обязательных случаев химические и минеральные добавки могут
применяться для регулирования качества бетонной смеси и бетона, придания бетону специальных свойств, а также для экономии цемента.
Наибольшая крупность заполнителя (НК) принимается в зависимости от вида
бетонируемой конструкции и способа транспортирования бетонной смеси. НК не
должна превышать 3/4 минимального расстояния между стержнями арматуры,
для плитных изделий НК должна быть не более половины толщины плиты. При
подаче бетонной смеси по хоботам и бетононасосами НК должна быть не более
1/3 внутреннего диаметра хобота или трубопровода, а при укладке бетонной смеси в скользящую опалубку не должна превышать 1/6 размера наименьшего сечения бетонируемой конструкции. При назначении НК предпочтительно применение максимально допустимого значения для заданного изделия. Принимаем НК =
20 мм.
Определение состава бетона производится расчетно-экспериментальным способом, который включает:
− установление исходного расчетного состава;
− экспериментальную проверку и корректировку исходного состава по консистенции бетонной смеси и по прочности бетона с получением лабораторного состава на сухих заполнителях;
− определение производственного состава на влажных заполнителях и расчет
расхода материалов на один замес бетоносмесителя.
Исходный состав тяжелого бетона определяется в следующем порядке.
1 Проектирование состава бетона осуществляется для обеспечения среднего
уровня прочности, который принимается с учетом фактической однородности бетона по прочности, характеризуемой коэффициентом вариации (V n). Если отсутствуют данные о фактической однородности бетона, средний уровень прочности
принимают равным требуемой прочности по ГОСТ 18105 для бетона данной
124
марки (класса) при V n = 13,5 % для всех конструкций из тяжелого бетона, кроме
гидротехнических, для которых V n = 17 %.
Средний уровень прочности в зависимости от V n определяется по формулам
R у = R т. К мп = R н. К т1 . К мп
(27)
R у = В н . К т . К мп,
(28)
где R т – требуемая прочность МПа; R н – нормируемая по маркам прочность, МПа; В н –
нормируемая по класса прочность, МПа; К мп, К т1, К т – коэффициенты, зависящие от V n, приведены в таблице 34.
Таблица 34 − Коэффициенты для расчета среднего уровня и требуемой прочности
V n,%
К мп
К т1
Кт
<6
1,03
0,83
1,07
6
1,04
0,83
1,08
7
1,05
0,84
1,09
8
1,07
0,85
1,09
9
1,07
0,87
1,11
V n, = 10 %.
10
1,09
0,89
1,14
11
1,09
0,92
1,18
12
1,09
0,96
1,23
13
1,10
1,00
1,28
14
1,10
1,04
1,33
15
1,10
1,08
1,38
16
1,10
1,12
1,43
К мп = 1,09, К т = 1,14
Из условия задачи находим, что R у = 22,5*. 1,14*. 1,09 = 28 МПа.
2 Определение Ц/В
Определение Ц/В производится по формулам
Rц + 0,37 Rцп + 3,22
(Ц/В)1 = --------------------------- = 2,199
0,43 Rцп + 5,6
Rц - 0,06 Rц + 10
(Ц/В)2 = ------------------------- = 1,561,
0,24 Rц + 10
(29) и
(30)
где Rц – активность цемента или гарантированная марочная прочность, МПа.
Принимаем наибольшее значение Ц/В = 2,199.
При использовании воздухововлекающей добавки, обеспечивающей воздухововлечение 2…4 %, Ц/В увеличивается на 0,01…0,02, а при воздухововлечении
4…6 % – на 0,02…0,04 для компенсации понижения прочности бетона вследствие
повышенного содержания воздуха в нём. В нашем случае примем воздухововлечение равным 4 %, тогда Ц/В = 2,199 + 0,02 = 2,219.
При нормируемых требованиях к бетону по водонепроницаемости и морозостойкости Ц/В должно быть не менее значений, приведённых в таблице 35. Если
125
из условия обеспечения требуемой прочности Ц/В оказалось ниже, чем требуется
для заданной водонепроницаемости и морозостойкости, то для дальнейших расчетов принимается табличное значение. В нашем случае для обеспечения марки
по морозостойкости F 200 Ц/В должно быть не менее 1,82. Для дальнейших расчетов принимаем Ц/В = 2,219.
Таблица 35 − Минимальные значения величины Ц/В для бетонов
с нормируемой водонепроницаемостью и морозостойкостью
Марка бетона
по водонепроницаемости
W2
W4
W6
–
W8
W12 и более
Марка бетона
по морозостойкости
–
F100
F200
F300
F400
F500 и более
Ц/В не менее
1,43
1,67
1,82
2,00
2,22
2,50
3 Определение расхода воды
Определение расхода воды производится по таблице 36 в зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси, наибольшей крупности заполнителя с последующей корректировкой:
а) при Ц/В менее 1,25 или Ц/В более 2,5 расход воды соответственно уменьшают или увеличивают на 5 %;
б) при отличии НГ от значений 25…30 % на каждый процент в меньшую
(большую) сторону расход воды следует уменьшать (увеличить) на 3…5 л;
в) в случае отличия модуля крупности песка от значения МК = 2,0 в меньшую
(большую) сторону на каждые 0,5 расход воды необходимо увеличить (уменьшить) на 3…5 л;
г) при ОК бетонной смеси ≥ 10 см следует применять пластифицирующие добавки, а расход воды принимать как для бетонной смеси с ОК = 5…9 см.
Таблица 36 − Ориентировочный расход воды на 1 м3 бетонной смеси*
Консистенция
смеси
ОК, см
Ж, с
5…9
–
Расход воды, л, на 1 м3 бетонной смеси
при максимальной крупности заполнителя, мм
щебня
гравия
10
20
40
10
20
40
215
205
190
200
185
170
126
1…4
–
–
–
–
–
5…10
11…20
21…30
≥ 31
200
185
175
170
160
185
175
165
160
150
175
160
155
150
135
190
170
165
160
150
175
160
150
145
135
160
145
135
130
125
* - данные даны для бетонных смесей на цементе с НГ = 25…30 % и песке с МК = 2,0.
Из таблицы 20 устанавливаем предварительный расход воды. При проектируемой подвижности бетонной смеси, соответствующей ОК = 4…6 см и НК щебня
20 мм расход воды составляет 205 л на 1 м3 бетонной смеси. Так как применяется
песок с МК = 2,5, то расход воды уменьшаем на 4 л.
Тогда расход воды составит В = 205 – 4 = 201 л.
4 Определение расчетного расхода цемента
Ц р = В. Ц/В = 201. 2,219 = 446 кг.
(31)
Полученный расход цемента Ц р сравнивают с минимально допустимым по
ГОСТ 26633 (таблица 37) и с элементными нормами расхода Ц э по СНиП 82-0295. При этом должно выполняться условие
Ц min ≤ Ц р ≤ Ц э = К. Ц б,
(32)
где Ц б – базовые нормы расхода цемента (таблица 22); К – корректирующий коэффициент,
К = К1 . К2 . К3; К1… К3– коэффициенты, зависящие от вида и свойств материалов и технологии.
Базовые нормы цемента разработаны из условия приготовления бетонной смеси на цементах М 400 (таблица 38). При использовании цементов других марок
вводится коэффициент К 1, который для бетонов на цементах М 300 равен 1,14, а
для бетонов на цементах М 500 классов В 20 и менее при отпускной прочности 60
% и менее равен 0,87, при отпускной прочности 90…100 % – 0,90, для бетонов
классов от В 15 до В 30 и отпускной прочности 70…80 % − 0,87, а при большей
отпускной прочности – 0,92. В нашем случае К 1 = 0,92.
В базовых нормах предусмотрено применение цементов с нормальной густотой 25…27 %. Если НГ цемента отличается от этих значений, то базовые нормы
умножаются на коэффициент К2, значения которого приведены в таблице 39.
По заданию класс бетона В22,5 а НГ цемента 28,5 %, следовательно К2 = 1,02.
Таблица 37 − Минимально допустимые расходы цемента
Конструкция
Условия эксплуатации
Расход цемента, кг на 1 м3 бетона
ПЦ-Д 0, ПЦ-Д
ПЦ-Д 20, ШПЦ, ППЦ,
127
5, ССПЦ-Д О
Неармированная
С ненапрягаемой арматурой
С напрягаемой
арматурой
без атмосферных
воздействий
при атмосферных
воздействиях
без атмосферных
воздействий
при атмосферных
воздействиях
без атмосферных
воздействий
при атмосферных
воздействиях
ССПЦ-Д 20 ССШПЦ
не нормируется
150
170
170
150
170
180
200
220
240
220
240
270
240
270
300
Таблица 38 − Базовые нормы расхода цемента Ц б
Класс по
Базовые нормы расхода цемента М 400, кг, для тяжелого бетона
прочности Нормального
твердения при ТВО до отпускной прочности, %
твердения
55…60
70
80
90
100
В 7,5
180
180
200
210
225
240
В 10
200
200
215
235
245
260
В 12,5
225
225
235
260
270
285
В 15
255
255
265
280
295
315
В 20
305
310
315
340
360
380
В 22,5
335
340
350
370
395
420
В 25
365
370
380
400
425
450
В 30
415
430
440
450
480
520
В 35
480
500
510
520
540
570
В 40
550
570
580
590
600
–
Таблица 39 − Значения коэффициента К 2
НГ цементного теста,
%
Менее 25
Более 27 до 30
Более 30
Значения К 2 для бетонов проектного класса
≤ В 22,5
В 25…В 30
В 35…В 40
0,98
0,96
0,94
1,02
1,03
1,05
1,04
1,05
–
Базовые нормы для бетона, твердеющего при тепловой обработке, предусматривают применение цементов II группы эффективности при пропаривании по
ГОСТ 22236. При использовании цементов I группы базовые нормы умножаются
на коэффициент К 3 = 0,93. Коэффициент К 3 = 1 для бетонов класса В 30 и выше
при отпускной прочности ≤ 70 % от марочной прочности. В задании приведена
активность цемента при пропаривании, что в соответствии с приложением 3 поз-
128
воляет считать используемый цемент I группы эффективности при пропаривании.
Поскольку класс бетона В 22,5 то К 3 = 0,93.
Базовые нормы приведены для бетона на щебне, при использовании гравия их
следует умножать на коэффициент К 4 (таблица 40). Так как по заданию используется щебень, то К 4 = 1.
Таблица 40 − Значения коэффициента К 4
Класс бетона
К4
В 7,5
0,91
В 10…В 12,5
0,94
В 15
0,96
В 20
0,97
В 22,5
0,98
НК заполнителя учитывается коэффициентом К 5, который при НК = 20 равняется 1, а при другой величине НК его значения приведены в таблице 41. В рассматриваемом примере НК = 20 мм, поэтому К 5 = 1.
Таблица 41 − Значения коэффициента К 5
НК, мм
10
40
70
Значения К 5 для бетона классов
≤ В 25
≥ В 30
1,10
1,07
0,93
0,95
0,90
0,92
Базовые нормы определены для щебня с содержанием зёрен пластинчатой
(лещадной) и игловатой формы 25…35 % по массе. При содержании этих зёрен
менее 25 % вводится коэффициент К 6 = 0,98, а более 35 % – К 6 = 1,03. По заданию зёрен лещадной формы 39 %, следовательно К 6 = 1,03.
Базовыми нормами предусмотрено использование песка МК = 2,1…3,25. При
использовании мелких и очень мелких песков следует применять для тяжелого
бетона коэффициент К 7 (таблица 42). Для мелкозернистых бетонов при использовании песков с модулем крупности МК = 1,5…2,0 К7 = 1,20.
Таблица 42 − Значения коэффициента К7 для тяжелого бетона
Класс бетона по прочности
при сжатии
В 15 и менее
В 20…В 25
Более В 25
К7 для песка с МК
1,5…2,1
1,0
1,03
1,05
< 1,5
1,03
1,06
1,10
По задания МК = 2,5, значит К7 = 1.
При использовании песков из отсевов от дробления горных пород следует
применять коэффициент К8 = 1,03. По заданию песок природный, значит К8 = 1.
Удобоукладываемость бетонной смеси следует принимать в соответствии со
способом формования и типом конструкции согласно СНиП 3.09.01-85. Базовые
129
нормы приведены для бетонных смесей с ОК = 1…4 см. При использовании бетонных смесей другой удобоукладываемости вводится коэффициент К 9, для
смесей с ОК = 5…9 см К9 = 1,07, при Ж = 5…10 с – К 9 = 0,93, при Ж = 11…20 с –
К 9 = 0,88. В рассматриваемом примере ОК бетонной смеси 4…6 см, поэтому
принимаем К 9 = 1,07.
Базовые нормы предусматривают применение бетонной смеси с температурой
не выше 25 оС, при температуре 25…30 оС вводится коэффициент К10 = 1,03, при
температуре > 30 оС – К 10 = 0,88. Принимаем К 10 = 1.
При изготовлении преднапряженных ЖБК с отпуском натяжения арматуры на
горячий бетон вводится коэффициент К 11 = 1,08. Принимаем К 11 = 1
Таким образом, исходя из условия обеспечения прочности бетона базовая
норма расхода цемента Ц б = 420 кг, а корректирующий коэффициент К = 0,92.
1,02. 0,93. 1. 1. 1,03. 1. 1. 1,07. 1. 1 = 0,96, следовательно элементная норма расхода
цемента Ц э1 = 420. 0,96 = 403 кг.
Для изделий и конструкций, к бетонам которых предъявляются требования по
морозостойкости и водонепроницаемости типовые элементные нормы, на которые не распространяется корректирующий коэффициент, приведены в таблице
43.
Таблица 43 − Типовые элементные нормы расхода цемента для бетона
с нормируемыми требованиями по морозостойкости и водонепроницаемости
Консистенция Элементные нормы расхода цемента ,кг, для марок бетона по
бетонной
морозостойкости F, циклы
водонепроницаемости
смеси
ОК, см Ж, с. ≤ 75 150 200 300 ≥ 400 W 2 W 4
W 6 ≥ W8
5…9
–
260 300 370 400 455
300
330
400
455
1…4
–
240 280 340 380 430
280
310
380
430
–
5-10 220 260 325 360 405
260
290
360
405
–
11-20 210 245 300 335 385
245
270
335
385
По заданию марка бетона по морозостойкости F 200, следовательно элементная норма расхода цемента из учета обеспечения морозостойкости Ц э2 = 370 кг.
Из определённых элементных норм окончательной считается наибольшая, то есть
Ц э1 = 403 кг. С этой нормой сравнивается расчётный расход цемента Ц р = 446 кг.
Если он не превышает базовую элементную норму, то можно для дальнейших
действий принять расчётный расход цемента.
Если же расчетный расход цемента выше базовой элементной нормы (в данном случае 446 > 403),то необходимо предусмотреть одно или несколько мероприятий по снижению расчетного расхода цемента:
− повысить марку цемента в пределах рекомендаций (таблица 44) для бетона
данного класса по прочности при сжатии;
Таблица 44 - Рекомендуемые марки цементов для бетона
130
Класс (марка)
тяжелого бетона по прочности
В 7,5 (М 100)
В 10 (М 150)
В 12,5(М150)
В 15 (М 200)
В 20 (М 250)
В 22,5(М 300)
В 25 (М 350)
В 30 (М 400)
В 35 (М 450)
В 40 (М 500)
В 45 (М 600)
Рекомендуемые и допускаемые марки цемента для тяжелого
бетона при твердении в условиях
естественных
ТВО при отпускной прочности,
% проектной
рекодопус70 и менее
80 и более
менду- каемые
рекодопускарекодопускаемые
мендуеемые
мендуеемые
мые
мые
300
–
300
–
–
–
300
400
300
400
400
300
300
400
300
400
400
300, 500
400
300, 500
400
300, 500
400
300, 500
400
300,500
400
300,500
400
300, 500
400
500
400
500
500
400
400
500
400
500
500
400
500
400, 550
500
400, 550
500
400, 550
500
550
500
550
500
550
500
550
500
550
550
–
550
–
550
–
–
–
− ввести в состав бетонной смеси пластифицирующую добавку в количестве
до 0,2 % на сухое вещество от массы цемента, что позволяет уменьшить количество воды затворения на 10…15 % при неизменной удобоукладываемости бетонной смеси; так как расход цемента рассчитывался как произведение Ц/В на В, то
снижение количества воды затворения (В) уменьшит расход цемента без снижения прочности бетона;
− ввести в состав бетонной смеси добавку суперпластификатор типа С-3, её
дозировка 0,5 % от массы цемента позволяет снизить количество воды затворения
на 15 %, дозировка 0,75 % – на 20 %, дозировка 1,0 % – на 25 % без изменения
удобоукладываемости бетонной смеси;
− использовать тонкодисперсную золу-унос тепловых электростанций, отвечающую требованиям ГОСТ 25818, для замены части цемента; при использовании портландцемента золой может быть заменено до 30 % цемента, а для бетона
на шлакопортландцементе равнопрочность обеспечивается при замене до 20 %
цемента;
− ввести в состав бетонной смеси 6…10 % добавки микрокремнезёма, что
снижает расход цемента до 25 % при повышении водопотребности смеси на
8…10 л на 1 м3 бетонной смеси без снижения прочности бетона.
Для обеспечения марки бетона по морозостойкости F 200 принимаем использование добавки ЩСПК в количестве 0,2 % от массы цемента, что позволяет
уменьшить количество воды затворения на 10 %. Тогда откорректированный расход воды составит:
В о = 201. 0,9 = 181л.
131
Отсюда откорректированный расход цемента:
Ц о = 181. 2,219 = 401 кг.
5 Расход сухой добавки ЩСПК: Д = 401. 0,002 = 0,8 кг.
Обычно при приготовлении бетонной смеси для равномерного распределения
небольших порций добавок их используют в виде водных растворов рабочей концентрации, которые смешивают с водой затворения. Расход раствора добавки рабочей концентрации (А) в л на 1 м3 бетонной смеси:
А = ЦС/КПл,
(33)
где Ц – расход цемента, кг на 1 м3 бетонной смеси; С – дозировка добавки, % от массы цемента; К – концентрация рабочего раствора добавки, принимаем 2 %; Пл – плотность рабочего
раствора добавки, кг/л (таблица 45).
Таблица 45 − Дозировки добавок и плотности их водных растворов при 20 оС
Добавка,
(% от массы цемента)
С-3 (0,3…0,8)
ЛСТМ-2 (0,15…0,25)
ЛСТ (0,15…0,25)
ЩСПК (0,20…0,35)
СНВ (0,01…0,02)
Плотность кг/л растворов добавок при концентрации
1%
2%
3%
4%
5%
1,007
1,010
1,013
1,017
1,020
1,006
1,008
1,012
1,016
1,021
1,004
1,009
1,013
1,017
1,021
1,003
1,006
1,015
1,024
1,031
1,003
1,005
1,009
1,012
1,015
А = 401. 0,2/2. 1,006 = 39,9 л.
Количество воды, которое вводится с раствором добавки рабочей концентрации: В д = А. Пл(1 - 0,01К) = 39,9. 1,006(1 - 0,01. 2) = 40,1. 0,98 = 39,3л, а количество отдельно дозируемой воды В н = В о – В д = 181 – 39,3 = 141,7 л
6 Определение абсолютного объёма заполнителей
Так как ввели воздухововлекающую добавку, которая обеспечивает наличие в
бетонной смеси 4 % по объёму (40 л), равномерно распределённых пузырьков
воздуха, то объём бетонной смеси будет 1000 л – 40 л = 960 л):
V з = 960 – Ц/ ц –В/ в = 960 – 401/3,0 – 181/1,0 = 645 л.
(34)
7 Определение доли песка в смеси заполнителей
132
Долю песка в смеси заполнителей по абсолютному объёму (r) выбираем в зависимости от расхода цемента и наибольшей крупности щебня по таблице 46.
Таблица 46 − Доля песка в смеси заполнителей r
Расход цемента,
кг на 1 м3 бетона
200
300
400
500
600
Величина r при наибольшей крупности щебня, мм
10
20
40
0,45
0,42
0,39
0,42
0,39
0,36
0,39
0,36
0,33
0,36
0,33
0,30
0,33
0,30
0,27
Примечания:
1 Таблица составлена для песка с МК = 2, при увеличении (уменьшении) МК на 0,5 доля
песка увеличивается (уменьшается) на 0,03.
2 При использовании гравия доля песка уменьшается на 0,05.
3 Для жестких бетонных смесей Ж  20 с доля песка уменьшается на 0,04, при подвижных
бетонных смесях с ОК не менее 10 см доля песка увеличивается на 0,04.
По заданию наибольшая крупность щебня 20 мм, а расход цемента составляет
401 кг, следовательно, величина r по таблице 40 находится в пределах 0,36…0,33
и по линейной интерполяции r = 0,36, а с учетом примечания «а» так как МК =
2,5, то величина r = 0,36 + 0,03 = 0,39.
8 Количество мелкого заполнителя (песка) рассчитывают по формуле:
П = V з*. r*.  п = 645. 0,39. 2,65 = 667 кг,
(35)
а количество крупного заполнителя (щебня):
Щ = V з. (1–r) . щ = 645. 0,61. 2,60 = 1023 кг.
(36)
Исходный расчетный (номинальный) состав, установленный для сухих материалов, выражают двумя способами:
а) в виде расходов материалов по массе на 1м3 уложенной и уплотнённой бетонной смеси:
цемент
= 401 кг,
песок
= 667 кг,
щебень
= 1023 кг,
сухая добавка ЩСПК =
0,8 кг,
вода
= 181 л.
б) в виде отношения по массе между цементом, песком, крупным заполнителем (принимая расход цемента за единицу) с указанием Ц/В:
133
Ц/Ц = П/Ц = Щ/Ц = 1:1,66:2,55 при Ц/В = 2,219.
Расчетная средняя плотность уложенной и уплотнённой бетонной смеси подсчитывается как сумма расходов всех компонентов по массе:
ρ = Ц + П + Щ + В + Д = 401 + 667 + 1023 + 181 + 0,66 = 2272,66 кг/м3.
(37)
Исходный расчётный состав бетона проверяют и при необходимости корректируют в пробных лабораторных замесах. Главным условием при этом является
обеспечение заданной марки бетонной смеси по консистенции, марки (класса) бетона по прочности и марки по морозостойкости.
Производственный состав определяется с учетом влажности заполнителей, которая может изменяться в зависимости от условий и длительности хранения. При
этом количество влажных заполнителей увеличивается настолько, чтобы содержание сухого материала равнялось расчетному количеству, а масса вводимой в
замес воды уменьшалась на величину, равную содержанию воды в заполнителях.
Следовательно, Ц/В и средняя плотность бетонной смеси не изменяются.
П 1 = П(1 + ω п /100) = 667(1 + 4/100) = 667 + 27 = 694 кг,
(38)
Щ 1 = Щ(1 + ω щ /100) = 1023(1 + 4/100) = 1023 + 41 = 1064 кг,
(39)
В 1 = 181 – 27 – 41 = 113 л.
Производственный состав 1 м3 бетонной смеси на влажных заполнителях:
Цемент
= 401 кг
Песок
= 694 кг
Щебень
= 1064 кг
Раствор добавки ЩСПК = 39,3 л
Вода
= 73,7 л.
Средняя плотность бетонной смеси 2272,66 кг/м3.
Так как объём бетоносмесителя чаще всего таков, что выход готовой бетонной
смеси не равен 1 м3, то для определения дозировки материалов на один замес
необходимо производственный состав бетонной смеси пересчитать в соответствии с вместимостью бетоносмесителя. В новых моделях бетоносмесителей вместимость их барабана указывается в литрах готовой бетонной смеси Vзам, например 330, 800, 1600 л. В старых моделях вместимость бетоносмесителя указывается по суммарному объёму загружаемых сухих компонентов – заполнителе1 и цемента, например 250, 500, 1200, 2400 л.
При использовании новых моделей бетоносмесителей для составления дозировки материалов на замес необходимо количество каждого компонента из производственного состава (на 1000 л) пропорционально пересчитать на объём готового замеса, например на 800 или 1600 л.
134
Если используются старые модели бетоносмесителей, то следует определить
первоначально коэффициент выхода бетонной смеси для номинального состава
при сухих заполнителях:

Ц /
нас
ц
1000
 0,71.
 П /  пнас  Щ /  щнас
(40)
Зная  , определяется объём бетонной смеси, изготовляемой за один замес бетоносмесителя. При вместимости бетоносмесителя по загрузке 500 л он будет равен: 0,500. 0,71 = 0,355 м3. Умножим массу каждого компонента производственного состава на объём одного замеса, получим дозировку материалов на один замес бетоносмесителя:
Цемент
= 401. 0,355 = 142 кг,
Песок
= 694. 0,355 = 246 кг,
Щебень
= 1064 . 0,355 = 338 кг,
Раствор ЩСПК = 39,3 . 0,355 = 13,9 л,
Вода
= 73,7. 0,355 = 26,2 л.
Выводы по работе
По окончании расчёта состава тяжелого бетона следует сделать вывод о необходимости экспериментальной проверки и возможной корректировке расчётного
номинального состава сначала в лаборатории, а затем и в производственных
условиях. Лишь после установления соответствия характеристик полученной бетонной смеси и самого бетона требованиям проектного задания можно сделать
вывод о правильности выполненного подбора и расчёта состава бетона.
Контрольные вопросы
1 Какова цель расчёта состава бетона?
1 Установить расходы материалов, необходимые для приготовления 1 м3 бетонной смеси.
2 Определить плотность бетона.
3 Установить расходы материалов, обеспечивающие максимальную плотность
и прочность бетона.
4 Установить экономически оптимальные расходы компонентов, обеспечивающие получение заданных свойств бетонной смеси и бетона.
2 От каких факторов зависит марочная прочность бетона?
135
1 От условий уплотнения бетонной смеси и твердения бетона.
2 От качества заполнителей, марки цемента и водоцементного отношения.
3 От марки цемента и марки щебня по прочности.
4 От расхода цемента и удобоукладываемости бетонной смеси.
3 От чего зависит выбор количества воды затворения при расчёте состава
бетона?
1 От марки цемента и водоцементного отношения.
2 От требуемых показателей удобоукладываемости бетонной смеси, водопотребности заполнителей и вяжущего.
3 От водопотребности заполнителей.
4 От расхода цемента и требуемой проектной прочности бетона.
4 Как определить расчетом среднюю плотность бетонной смеси?
1 Рассчитать среднее арифметическое значение насыпных плотностей цемента, песка, щебня без учета плотности воды.
2 Суммировать рассчитанные на 1 м3 бетона расходы исходных компонентов.
3 Рассчитать среднее арифметическое значение насыпных плотностей цемента, песка, щебня и плотности воды.
4 Суммировать значения средних плотностей исходных компонентов.
5 Чем отличается производственный состав от расчётного?
1 Тем, что расход материалов пересчитан на один замес в бетоносмесителе известной вместимости.
2 Тем, что расход заполнителей определён с учётом их влажности при уменьшении В/Ц.
3 Тем, что расход заполнителей определён с учётом их влажности и с соответствующим уменьшением расхода воды при неизменной величине В/Ц.
4 Тем, что объем замеса бетоносмесителя сильно отличается от суммарного
объема компонентов бетонной смеси.
6 Каковы истинные предпосылки для определения расхода заполнителей по
методу абсолютных объёмов?
1 Сумма абсолютных объёмов компонентов бетонной смеси должна быть равна 1 м3, а объём растворной части должен быть точно равен объёму межзерновых
пустот в крупном заполнителе.
2 Сумма абсолютных объёмов компонентов бетонной смеси должна быть равна 1 м3, а цемента, песка и воды взято столько, чтобы заполнить пустоты в крупном заполнителе с некоторой раздвижкой его зёрен.
3 Сумма абсолютных объёмов заполнителей должна быть равна 1000 л, а вяжущего и воды взято столько, чтобы заполнить оставшиеся пустоты в смеси заполнителей.
136
4 Сумма абсолютных объёмов компонентов бетонной смеси должна быть равна объему бетоносмесителя.
7 От чего зависит величина раздвижки зёрен крупного заполнителя?
1 От насыпной плотности крупного заполнителя.
2 От объёма цементного теста и крупности песка.
3 От расхода крупного заполнителя.
4 От пустотности крупного заполнителя.
8 Чему равен коэффициент выхода бетонной смеси?
1 Отношению массы полученной смеси к сумме масс исходных компонентов.
2 Отношению суммы объёмов сухих компонентов в рыхло-насыпном состоянии к объёму полученной бетонной смеси.
3 Отношению объёма полученной смеси к сумме объёмов сухих компонентов
в рыхло-насыпном состоянии.
4 Отношению расчётного объёма бетонной смеси к объёму бетоносмесителя.
9 Как проверить правильность выполненного расчёта состава бетона?
1 Путём сравнения показателей средней плотности бетонной смеси в расчётном и производственном составе.
2 Путём пробного лабораторного замеса с изготовлением и испытанием образцов для контроля прочности бетона.
3 Путем сравнения объемов замеса и объема бетоносмесителя.
4 Путём пробного замеса с проверкой удобоукладываемости бетонной смеси, с
изготовлением и испытанием контрольных образцов для контроля прочности бетона.
10 Как назначаются показатели подвижности и жесткости бетонной смеси?
1 В зависимости от вида и наибольшей крупности крупного заполнителя,
2 В зависимости от марки бетона и назначения проектируемой конструкции.
3 В зависимости от типа ЖБК.
4 В зависимости от способа уплотнения бетонной смеси, размеров сечения и
густоты армирования проектируемой конструкции.
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА
Вариант Назначение бетона
Rтр
МПа
Rо
Vn, %
Бетон
F,
W
циклы
Консистенция
Цемент*
Вид
Rц,
МПа
137
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Монолитные
тонкостенные
конструкции
Плиты ж/б армированные
Фундаментные
блоки
Бетон для лестничных маршей
Сборные ЖБК
30
–
10
–
8
П3
ПЦ
48
35
0,7 Rтр
8
–
–
П1
ПЦ
50
20
–
6
200
–
П1
ПЦ
40
20
0,7 Rтр
9
–
–
П1
ПЦ
39
50
0,7 Rтр
11
–
–
Ж4
ПЦ
62
Бетонные плиты
промзданий
Бетон для плит
в градирнях
Железобетонные колонны
Дорожные ж/б
плиты
Железобетонные сваи
Панели перекрытий
20
0,7 Rтр
13
–
–
П1
ШПЦ
33
40
1,0 Rтр
5
200
6
П2
ПЦ
55
40
0,7 Rтр
10
–
–
П1
ШПЦ
52
20
1,0 Rтр
7
400
8
П2
ПЦ
40
40
1,0 Rтр
10
300
–
П1
ПЦ
57
30
0,7 Rтр
8
–
–
Ж2
ШПЦ
42
* значения плотности принять: для ПЦ истинная – 3,1 г/см3, насыпная – 1,3 г/см3; для ШПЦ
истинная – 2,9 г/см3, насыпная – 0,9 г/см3.
Таблица 47
СОСТАВА БЕТОНА
п ,
г
см 3

нас
п
г
см 3
,
Песок
Мк
Вп,
%
п ,
%
Вид
(горная
порода)
Крупный заполнитель
НК,
 кз ,
 кзнас ,
мм
г
г
см 3
см 3
 кз ,
%
138
Щебень
(диорит)
2,7
1,6
2,2
7
4,0
2,60
1,60
10
3,0
2,5
1,6
2,5
6
3,2
2,5
1,5
2,0
8
5,0
Щебень
(гранит)
Гравий
2,65
1,41
20
1,5
2,53
1,62
20
1,0
2,6
1,7
2,2
7
3,5
Щебень
(диорит)
2,65
1,45
20
2,0
2,6
1,6
2,4
7
2,0
Щебень
(гранит)
Щебень
(габбро)
Щебень
(диорит)
Щебень
(гранит)
Щебень
(габбро)
Гравий
2,64
1,49
20
1,7
2,4
1,5
2,4
7
3,2
2,45
1,42
20
2,3
2,6
1,6
2,6
6
4,2
2,55
1,67
20
2,0
2,5
1,7
2,7
6
3,8
2,64
1,43
40
1,5
2,6
1,6
2,9
6
4,0
2,50
1,62
20
2,2
2,6
1,5
2,3
7
4,2
2,52
1,60
40
3,0
2,6
1,5
2,4
7
3,5 Щебень
(гранит)
2,55
1,58
20
3,0
Лабораторная работа № 12
СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ И КОРРЕКТИРОВКА СОСТАВА
Общие сведения
Бетонной смесью называется рационально составленная, однородно перемешанная, пластичная при формовании смесь компонентов бетона до начала схватывания и твердения входящего в ее состав вяжущего.
Рационально составленная – значит, что подобраны заполнители непрерывной гранулометрии, обеспечивающие плотную упаковку зерен, а вяжущего и во-
139
ды взято столько, чтобы тесто заполнило межзерновые пустоты и обволокло тонкой пленкой каждое зерно.
Однородно-перемешанная – смесь во всех участках своего объема имеет
одинаковый состав, структуру, строение и свойства, которые должны сохраняться
при транспортировке и укладке бетонной смеси в форму.
Пластичная при формовании – значит, что смесь способна растекаться при
заданном способе формования, заполняя форму, сохраняя однородность и приобретая сплошность.
Смесь компонентов бетона – компоненты бетона находятся в различных агрегатных состояниях, а твердая фаза имеет размеры от 0,001 мм (вяжущее вещество) до 70 мм (заполнитель).
Иными словами, бетонная смесь представляет собой специфическую тонкогрубую дисперсную систему, в составе которой имеется ряд других дисперсных
систем. Причем в разных системах одно и то же вещество может быть как дисперсной фазой, так и дисперсионной средой (рисунок 33).
Цементное тесто представляет собой истинно дисперсную систему, в которой зерна цемента окружены гидратными слоями и связаны друг с другом молекулярными силами, образуя пространственную структуру. Такая структура
устойчива и удерживает в определенном положении зерна песка и крупного
заполнителя, а также обладает смазочным эффектом, облегчая скольжение твердых частиц.
Дисперсная система
=
Цементное тесто
=
Цементно- песчаная
=
растворная смесь (ЦПРС)
Бетонная смесь
=
дисперсная
фаза
цемент
+
дисперсионная
среда
вода
песок
+
цементное тесто
щебень
+
ЦПРС
+
Рисунок 33 – Бетонная смесь как дисперсная система
Свойства бетонной смеси подчиняются законам реологии, предметом которой
является установление взаимосвязи между силами, действующими на реальное
тело и вызванными ими деформациями.
С реологией тесно связана тиксотропия – способность тела разжижаться при
механических воздействиях и самопроизвольно восстанавливать структуру (загустевать) после их прекращения.
Строение и свойства бетона зависят от удобоукладываемости (формуемости)
бетонной смеси, которая оценивается способностью ее, растекаясь, плотно заполнять форму с наименьшими энергетическими затратами при выбранном способе
уплотнения без расслаивания. Формуемость определяет плотность и влияет на
прочность, проницаемость, истираемость и другие свойства бетона. Удобоукла-
140
дываемость бетонной смеси оценивается по консистенции, которая характеризуется
подвижностью и жесткостью.
Подвижность – способность бетонной смеси растекаться под действием
сил тяжести и оценивается по величине осадки отформованного бетонного конуса (ОК). Подвижность является статической характеристикой структурной
прочности бетонной смеси.
Жесткость – способность бетонной смеси сопротивляться растеканию при
воздействии вибрации. Определяется на вискозиметре по времени (Ж) в секундах.
Жесткость является показателем динамической вязкости бетонной смеси при разрушении структуры смеси.
Подвижность и жесткость связаны обратно-пропорциональной зависимостью,
и по их показателям назначается марка бетонной смеси по удобоукладываемости (таблица 48).
Таблица 48 – Марки бетонной смеси по удобоукладываемости
Марка
Ж, с
Марка
Ж, с
OK, см Расплыв, см
СЖ-3
СЖ-2
СЖ-1
Ж-4
Ж-3
Ж-2
>100
51…100
<50
31…60
21…30
11…20
Ж-1
П-1
П-2
П-3
П-4
П-5
5–10
<5
–
–
–
–
–
1…4
5…9
10…15
16…20
>21
–
–
–
–
26…30
>31
Удобоукладываемость или консистенция бетонной смеси устанавливается
на стадии проектирования состава бетона в зависимости от вида и размеров конструкции, густоты армирования, способа укладки и уплотнения бетонной смеси.
Наиболее экономичными являются жесткие смеси за счет меньшего расхода цемента. Консистенция зависит от многих факторов, из которых следует выделить
нормальную густоту цементного теста и его объем, количество воды затворения,
суммарную поверхность заполнителей, форму зерен и чистоту поверхности. Введение пластифицирующих добавок увеличивает консистенцию бетонной смеси.
Приготовление бетонной смеси производится в бетоносмесителях, типы которых
зависят от вида и консистенции бетонной смеси.
Дозирование составляющих бетонной смеси производят по массе, для воды и
водных растворов добавок допускается производить дозирование по объему.
При низких температурах окружающего воздуха предусматривается подогрев
воды в процессе приготовления смеси и утепление транспортных средств.
Способ уплотнения бетонной смеси зависит от формы, размеров и конфигурации
изделий, консистенции бетонной смеси, состава бетона. При этом контролируется
степень уплотнения по коэффициенту уплотнения, который представляет собой
отношение фактической плотности бетонной смеси к расчетной.
141
Цель работы:
– изучить методы определения консистенции, плотности и коэффициента
уплотнения бетонной смеси;
– приготовить бетонную смесь и откорректировать ее по заданной консистенции;
– исследовать влияние водоцементного отношения на свойства бетонной смеси;
– приготовить контрольные образцы бетона с различными В/Ц для последующей корректировки состава бетона по прочности.
Порядок выполнения работы
Преподаватель выдает исходные данные для подбора состава бетона. Подбор ведется по методике работы № 11 всей подгруппой студентов. После подбора номинального состава (на 1000 л) материалы следует дозировать на 7...10 литров бетонной смеси в пересчете на абсолютно плотное состояние. Объем замеса зависит от количества контрольных образцов.
Одно звено экспериментально корректирует состав бетона при расчетном
В/Ц с обеспечением проектной консистенции бетонной смеси.
Другие звенья производят перерасчет состава, изменяя В/Ц соответственно на –
0,08, – 0,05, + 0,05 с последующей корректировкой для обеспечения проектной
консистенции.
Все звенья определяют теоретическую и фактическую плотности и коэффициент уплотнения бетонной смеси. Работа заканчивается приготовлением контрольных образцов-кубов с ребром 10 см, которые после твердения в нормальных условиях используются в работе № 13 для окончательного уточнения величины В/Ц,
обеспечивающего проектную прочность бетона.
Методы испытаний
1 Корректирование состава бетона при расчетном В/Ц для обеспечения
заданной консистенции бетонной смеси
1.1 Приготовление бетонной смеси
Бетонная смесь в лабораторных условиях может приготовляться вручную или
в лабораторном смесителе. При ручном способе на металлический боек, предварительно протертый влажной тканью, высыпают дозированные песок и цемент,
перемешивают их до однородной массы, затем высыпают крупный заполнитель и
также перемешивают до однородной массы. Затем смесь сгребают горкой, де-
142
лают в ней углубление, в которое заливают воду в два-три приема, каждый раз
перемешивая смесь до однородного состояния.
До момента использования бетонную смесь накрывают влажной тканью для
предотвращения испарения воды.
При замешивании в лабораторном смесителе заполнители и цемент высыпают
в смеситель и перемешивают сначала в сухом состоянии 15...20 секунд, а затем, после добавления воды доводят смесь до однородной массы.
В обоих случаях все металлические поверхности, соприкасающиеся с бетонной
смесью и ее составляющими, должны быть протерты влажной тканью. Длительность приготовления бетонной смеси должна быть в пределах 2...4 мин от начала добавления воды.
1.2 Определение подвижности бетонной смеси
Подвижность бетонной смеси определяется на свежеприготовленной смеси
с применением стандартного конуса (рисунок 34а) и характеризуется осадкой конуса бетонной смеси в сантиметрах. Форму-конус 4 (рисунок 34б) устанавливают
на металлический лист, плотно прижимают к нему, наступив на лапки, и через
воронку заполняют бетонной смесью, в три слоя одинаковой высоты. Каждый
слой уплотняют штыкованием металлическим стержнем диаметром 16 мм с
округлыми концами 25 раз. Затем снимают воронку, избыток смеси срезают
кельмой по верху конуса. Предварительно надавив на ручки конуса, освобождают
лапки и в течение 3...7 секунд плавно снимают конус вертикально вверх и устанавливают рядом с отформованной бетонной смесью 1.
Осадку конуса определяют, укладывая одну металлическую линейку 3
ребром на верхний край металлического конуса и измеряя второй линейкой 2
расстояние от нижней грани линейки до верха осевшей бетонной смеси с погрешностью 0,5 см. Определение выполняют дважды на разных порциях смеси.
Длительность испытания от начала заполнения конуса смесью при первом
определении и до момента замера осадки конуса при втором определении – не
более 10 минут, а общее время нахождения показателя ОК смеси – не более
20 минут с момента ее приготовления.
143
а)
б)
Рисунок 34 – Определение подвижности бетонной смеси
За результат принимают среднее арифметическое двух определений, отличающихся между собой не более, чем на 1 см – для бетонной смеси марки П1; 2 см
– для марки П2; 3 см – для марок П3, П4 и П5.
Если осадка конуса бетонной смеси окажется равной 0, то ее консистенция
должна характеризоваться показателем жесткости Ж..
1.3 Определение жесткости бетонной смеси
Жесткость бетонной смеси определяется на вискозиметре для определения
жесткости по ГОСТ 100181.1 (рисунок 35).
Заполнение конуса 3 смесью, ее уплотнение и снятие конуса с отформованной смеси производят как и при определении подвижности, только металлический конус предварительно закрепляется в кольце-зажиме 2. После снятия конуса 3, поворотом штатива 9 диск 8 с шайбой 6 и штангой 5 устанавливают над конусом смеси и плавно опускают на его поверхность, после чего штатив закрепляют винтом втулки 10. Далее одновременно включают виброплощадку и секундомер.
Вязкость смеси уменьшается, и она растекается в кольце 1 прибора. Вибрирование прекращают, а секундомер останавливают тогда, когда начинает появляться
на поверхности цементное молоко из любых двух из шести отверстий 7 диска 8
вискозиметра.
Полученное время характеризует жесткость бетонной смеси в с, которую
определяют дважды на разных порциях. Общее время определения жесткости бетонной смеси не должно превышать 15 минут.
144
Рисунок 35 – Вискозиметр для определения жесткости бетонной смеси
На рисунке 36 показан упрощенный метод определения жесткости смеси в
форме-кубе размером 20х20х20 см. Тот же конус, что и для определения подвижности (без лапок), так же заполняется бетонной смесью (рисунок 36а). Конус
снимают, а форму закрепляют на виброплощадке (рисунок 36б) и включают виброплощадку и секундомер. Когда смесь заполнит углы формы, а поверхность
смеси станет горизонтальной (рисунок 36в), секундомер и виброплощадку выключают.
Время в секундах, необходимое для выравнивания поверхности бетонной смеси в форме, умноженное на 1,5, соответствует жесткости бетонной смеси, определяемой по ГОСТ 10181.1.
145
а)
б)
в)
Рисунок 36 – Упрощенный метод определения жесткости бетонной смеси
1.4 Корректирование состава бетонной смеси
Корректирование производится в том случае, если бетонная смесь не удовлетворяет проектным требованиям по подвижности или жесткости. Кроме того,
необходимость корректирования связана с наличием неоднородности бетонной
смеси и данное несоответствие не связано с погрешностями при дозировании.
Примеры корректировки состава бетона приведены в таблице 49. После каждого добавления корректирующих материалов смесь тщательно перемешивают и делают повторное определение подвижности или жесткости до получения заданных показателей.
Продолжительность корректирования не должна превышать 15 минут. В связи с тем, что с введением в состав бетонной смеси корректирующих материалов
объем смеси увеличивается, необходимо уточнить объем замеса и произвести
пересчет состава сначала на уточненный объем замеса, а затем и на 1 м3 бетонной смеси.
2 Определение коэффициента уплотнения бетонной смеси
Расчет и корректирование состава бетона по методу абсолютных объемов предполагает отсутствие в отформованной бетонной смеси газовой составляющей (поры воздухововлечения и недоуплотнения). Однако такие поры всегда имеют место и их количество можно оценить коэффициентом уплотнения Ку. Для хорошо
отформованных смесей он находится в пределах 0,96…0,98.
Коэффициент уплотнения определяют при формовании бетонной смеси в сосуде известного объема. Допускается определение Ку совмещать с изготовлением контрольных образцов-кубов.
146
Таблица 49 – Примеры корректировки состава бетона
Состояние бетонной смеси
Корректирующие материалы*
количество,
материал
% от исходного
Вытекание цементного молока из-под основания металлического конуса при его заПесок
5...10
полнении – недостаточная водоудерживающая способность заполнителей
Подвижность смеси больше (жесткость Песок и крупменьше) заданной – избыток цементного ный
заполни- 5...10
теста
тель
Подвижность смеси меньше (жесткость Вода и цемент 5…10
больше) заданной – недостаток цементного при расчетном
теста
В/Ц
В бетонной смеси наблюдается пустоты Песок, вода и
3…5
между зернами крупного заполнителя (не- цемент
при
достаток растворной составляющей смеси) расчетном В/Ц
* Порции материалов следует готовить заранее.
3 Изготовление контрольных образцов-кубов
В связи с тем, что в работе предусматривается определение Ку, совмещаемое
с изготовлением контрольных образцов, то перед заполнением форм бетонной
смесью они взвешиваются с предварительным смазыванием внутренней поверхности формы машинным маслом для уменьшения адгезии бетона к поверхности.
Уплотнение контрольных образцов бетона производится с учетом марки бетонной смеси по формуемости.
Марка бетона по удобоукладываемости П5 не требует уплотнения, т.к. ее
называют «литой», такая смесь должна уплотняться под действием собственной массы.
Для марок бетона по удобоукладываемости ПЗ и П4 уплотнение производят
10-кратным штыкованием металлическим стержнем диаметром 16 мм по спирали
от краев формы к ее центру
Для марок бетона по удобоукладываемости П1, Ж1, Ж2 и Ж3 образцы изготовляют вибрированием заполненной бетонной смесью формы, закрепленной на
лабораторной виброплощадке (рисунок 37).
Смесь в форме уплотняют до момента прекращения оседания конуса и появления на поверхности цементного молока. Время вибрирования соответствует
показателю жесткости, увеличенному на 30 секунд.
147
Для марки бетона по удобоукладываемости Ж4 уплотнение контрольных образцов производят аналогично, но с применением пригруза, обеспечивающего
давление не менее 0,001 МПа.
После окончания формования образцы взвешивают, маркируют с обозначением даты изготовления, номера группы, подгруппы и звена с указанием В/Ц.
Образцы хранят в форме при температуре 18...22 С накрытой влажной тканью. После достижения распалубочной прочности образцы извлекают из формы и
хранят в камене нормального твердения до достижения марочной прочности, которая определяется в 28-суточном возрасте. Допускается прочность контрольных образцов определять и в другие сроки с последующим пересчетом на марочную прочность, используя логарифмический закон роста прочности бетона, по
формуле
R28 = Rnlg 28 / lg n,
(41)
где R 28 – марочная прочность бетона, МПа; R n – прочность бетона в возрасте n суток (n
= 3...90 суток), МПа.
Рисунок 37 – Лабораторная виброплощадка
1 – станина; 2 – пружины; 3 – электродвигатель; 4 – эксцентрик; 5 – площадка
148
Контрольные вопросы
1 Почему бетонная смесь обладает связностью и пластичностью?
1 Так как появляются силы капиллярного стяжения между твердыми частицами, смоченными водой.
2 Так как действуют силы трения между частицами заполнителей.
3 Так как действуют силы трения между растворной составляющей смеси и
частицами крупного заполнителя, а пластификатором служат равномерно распределенные в смеси пузырьки вовлеченного воздуха.
4 Тонкодисперсные частицы вяжущего, добавок, пылеватых и глинистых примесей при взаимодействии с водой затворения образуют тесто, в котором на поверхности раздела фаз возникают силы межмолекулярного взаимодействия, капиллярного стяжения, вязкого трения, придающие смеси пластичность.
2 В каких условиях жесткие бетонные смеси пластичны?
1 Жесткие бетонные смеси не обладают пластичностью.
2 Жесткие бетонные смеси обладают пластичностью после перемешивания.
3 Жесткие бетонные смеси обладают пластичностью при сильном вибромеханическом уплотнении.
4 Жесткие бетонные смеси обладают пластичностью при коэффициенте
раздвижки зерен более 1,3.
3 Что называется тиксотропностью бетонной смеси?
1 Повышение текучести бетонной смеси пластифицирующими добавками.
2 Уменьшение вязкости после вибромеханического воздействия.
3 Свойство бетонной смеси уменьшать вязкость и становиться более текучей
при вибромехаиических воздействиях и загустевать после прекращения воздействия.
4 Изменение консистенции бетонной смеси добавлением воды до величины
водоудерживающей способности.
4 По каким показателям оценивается удобоукладываемость бетонной смеси?
1 По подвижности, жесткости и связности.
2 По расслаиваемости и седиментации.
3 По оседанию конуса бетонной смеси при сотрясении бойка.
4 По соотношению свободной и физически связанной воды.
5 Как влияет количество воды затворения на подвижность (жесткость)
бетонной смеси?
149
1 Чем больше воды затворения до определенного предельного значения, тем
выше подвижность.
2 С увеличением количества воды затворения улучшается удобоукладываемость смеси, поэтому прочность бетона возрастает.
3 Чем больше воды затворения, тем больше жесткость.
4 Подвижность и жесткость бетонной смеси не зависят от количества воды затворения.
6 Будет ли изменяться подвижность бетонной смеси при изменении вида цемента и неизменной марке?
1 Подвижность бетонной смеси не зависит от вида и марки цемента.
2 Подвижность бетонной смеси зависит от вида, но не зависит от марки цемента.
3 Подвижность бетонной смеси зависит от марки, но не зависит от вида цемента.
4 Подвижность бетонной смеси находится в прямой зависимости от вида и
марки цемента.
7 Почему ограничивается время определения показателя удобоукладываемости и корректирования состава бетонной смеси?
1 Чтобы исключить влияние изменения количества воды затворения вследствие ее испарения.
2 Время установлено произвольно.
3 Время установлено по физическим возможностям персонала строительных
лабораторий.
4 При увеличении времени наблюдается влияние изменения вязкости смеси
вследствие начинающейся гидратации цемента.
8 Как корректируется подвижность бетонной смеси в случае превышения
проектной величины?
1 Уменьшается расход песка.
2 Увеличивается расход крупного заполнителя.
3 Увеличивается расход песка или совместно песка и крупного заполнителя в
расчетном соотношении.
4 Увеличивается расход цемента.
9 Что такое коэффициент уплотнения бетонной смеси?
150
1 Отношение объема пустот уплотненной бетонной смеси к общему объему
пустот в неуплотненной смеси.
2 Отношение средней плотности бетонной смеси, уплотненной конкретным
способом, к ее теоретической средней плотности.
3 Отношение теоретической средней плотности бетонной смеси к средней
плотности смеси, уплотненной конкретным способом.
4 Разность между теоретической средней плотностью бетонной смеси и
средней плотностью смеси, уплотненной конкретным способом.
10 Как влияет седиментация бетонной смеси на основные свойства бетона?
1 Ее влиянием можно пренебречь.
2 Седиментация бетонной смеси повышает плотность и однородность бетона.
3 Седиментация бетонной смеси снижает однородность и прочность бетона.
4 Седиментация бетонной смеси способствует повышению удобоукладываемости бетонной смеси, однако плотность и прочность бетона снижается.
Лабораторная работа № 13
151
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА
Общие сведения
Качество бетона и его работа в сооружениях и конструкциях определяется
свойствами, важнейшим из которых является прочность.
Под прочностью понимают способность материала сопротивляться разрушению от внутренних напряжений, возникающих под действием внешних нагрузок.
Бетон относится к материалам, которые хорошо сопротивляются сжимающим
нагрузкам и усилиям; значительно хуже – растягивающим нагрузкам и усилий.
Поэтому строительные конструкции проектируют так, чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. При необходимости восприятия растягивающих
нагрузок и усилий конструкции армируют стальной арматурой, которая и обладает высоким сопротивлением этим нагрузкам.
Прочность бетона является интегральной характеристикой, которая зависит от
свойств компонентов бетона, его состава, условий приготовления, твердения,
эксплуатации и испытания. В свою очередь, с прочностью бетона связан и ряд
других его свойств.
Не вдаваясь в подробности современных представлений о структуре и процессе разрушения бетона, можно выделить следующие основные положения:
– прочность бетона зависит от структуры и свойств цементного камня, который скрепляет зерна заполнителя в монолит. Структура и свойства цементного
камня зависят от его минерального состава, водоцементного отношения, тонкости
помола цемента, возраста, условий приготовления и твердения, от введенных добавок. Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителей. И
в тех, и в других случаях прочность бетона может отличаться в 1,5...2,0 раза;
– разрушение бетона происходит постепенно. Оно сопровождается перераспределением напряжений и вовлечением в трещинообразование все большего
объема материала, вплоть до образования сплошного разрыва, зависящего от
формы образца и конструкции, ее размеров и других факторов;
– разрушение бетона при сжатии связано с развитием микротрещин отрыва,
направленных параллельно действующему усилию. Происходит кажущееся увеличение объема образца, но в действительности нарушается сплошность материала;
– жидкая фаза бетона оказывает большое влияние на процесс разрушения.
Степень влияния этого фактора зависит от скорости приложения нагрузки.
На результат определения прочности бетона влияет много факторов, которые
можно разделить на три группы: статистические, технологические и методические.
К статистическим факторам следует отнести колебания активности цемента,
его нормальной густоты и минерального состава, качества заполнителей, приводящие к неоднородности структуры бетона. В данном случае качество бетона
определяется его средней прочностью и однородностью, которая оценивается по
152
коэффициенту вариации прочности. Для нормирования прочности необходимо
использовать стандартную характеристику – класс бетона В.
Класс бетона – это числовая характеристика прочности бетона, принимаемая
с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленная классом прочность бетона обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100.
Установлены следующие классы тяжелого бетона по прочности при сжатии
(МПа): В3,5; В5; В7,5; B10; B12; B15; В20; B25; B30; В35; B40; В45; В50; В55;
В60. Допускается также применение промежуточных классов В22,5 и B27,5.
Например, класс бетона B20 следует понимать так: с вероятностью 0,95 при
определении предела прочности при сжатии бетона на любом произвольно взятом участке конструкции будет получен результат 20 МПа и более, и лишь в 5%
случаев можно ожидать значения менее 20 МПа. Для конструкций, запроектированных без учета возможных колебаний прочности, показатели прочности бетона
характеризуются марками.
Марка бетона – числовая характеристика прочности бетона, принимаемая по
его среднему значению, т.е. без учета статистического коэффициента вариации.
К технологическим факторам следует отнести факторы, связанные с приготовлением образцов (непараллельность и неплоскостность граней, шероховатость
поверхности, возможность расслоения бетона по высоте).
К методическим факторам следует отнести различные аспекты методики испытаний (конструкции и особенности пресса, размеры образцов, скорость
нагружения, влажность бетона и др.).
Метод определения прочности бетона испытанием контрольных образцов довольно прост и легко исполним для различных видов силовых воздействий.
С точки зрения соответствия результатов испытаний
Прочность бетона, определенная в лабораторных условиях, может значительно
отличаться от прочности бетона, определенной в реальных конструкциях. Это
связано со следующими недостатками:
– различие условий формования и твердения бетона в образцах и конструкциях;
– невозможность определить прочность бетона в ранее возведенных конструкциях;
– невозможность достоверно оценить прочность бетона и охарактеризовать
дефектность его в различных частях конструкции;
– затрудненность проведения оперативного контроля качества бетона;
– невозможность проведения сплошного контроля качества бетона.
Для уменьшения влияния этих факторов на точность определения прочности
бетона применяются наразрушающие методы контроля, основной особенностью
которых является оценка качества бетона по косвенной характеристике при наличии соответствующей градуировочной зависимости между изучаемым свойством
бетона и косвенной характеристикой. Такими косвенными характеристиками являются: скорость распространения ультразвука в бетоне; величина отскока бойка
прибора от поверхности бетона; размер отпечатка на поверхности бетона; усилие
местного скола бетона на ребре конструкции и ряд других.
153
Неразрушающими методами можно определять прочность бетона всех видов ее
нормируемого уровня (передаточной, распалубочной, отпускной, марочной), контролировать набор прочности при твердении, а также при обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений.
Цель работы
– изучить стандартный метод разрушающего контроля прочности бетона;
– исследовать влияние В/Ц на прочность бетона;
– определить В/Ц для бетона проектной марки по результатам испытания
образцов.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов определяет предел прочности при сжатии разрушающим методом бетонных образцов, изготовленных при выполнении работы № 12.
По результатам определения предела прочности при сжатии образцов различных составов определяется оптимальное значение В/Ц для получения запроектированной марки бетона.
Методы испытаний
1 Определение предела прочности бетона при сжатии
Перед испытанием образцы подвергают визуальному осмотру, устанавливая
наличие дефектов в виде сколов ребер, раковин и инородных включений. Образцы, имеющие трещины, сколы ребер глубиной более 10 мм, раковины диаметром
более 10 мм и глубиной более 5 мм, а также следы расслоения и недоуплотнения
бетонной смеси, испытанию нe подлежат. Наплывы бетона на ребрах опорных
граней образцов должны быть удалены рашпилем.
Опорные грани образцов выбирают так, чтобы сжимающая нагрузка при испытании была направлена параллельно слоям укладки бетонной смеси в формы.
Линейные размеры образцов замеряют с погрешностью 1 %. Массу образцов
определяют взвешиванием с погрешностью 0,1 %. Плотность бетона вычисляют с
погрешностью 1 кг/м2. Результаты обмера, взвешивания и подсчетов площадей,
объемов и плотности каждое звено вносит в журнал.
Все образцы одной серии должны быть испытаны в расчетном возрасте в течение 1 ч. Шкалу силоизмерительного пресса выбирают из условия, что ожидаемое значение разрушающей нагрузки должно быть в интервале 20...80 % от максимальной нагрузки, допускаемой выбранной шкалой. Испытание образцов производят непрерывно со скоростью нагружения, обеспечивающей повышение расчетного напряжения в образце до полного разрушения в пределах 0,2...1,0 МПa/c.
Время нагружения одного образца должно быть не менее 30 секунд.
154
Предел прочности при сжатии вычисляют с погрешностью 0,1 MПa с учетом
масштабного коэффициента для приведения прочности бетона в образце к прочности бетона в базовых (марочных) образцах по формуле
R м = α . R куб ,
(42)
где R м – прочность марочных образцов, МПа; α – масштабный коэффициент (таблица 50);
R куб – кубиковая прочность бетона, МПа.
Таблица 50 – Масштабные коэффициенты для перевода кубиковой прочности
к марочной прочности бетона
Форма и размер Масштабный коэффициент
образца, мм
при определении R сж
Куб
70
0,85
(ребро)
100
0,95
150
1,00
200
1,05
300
1,10
2 Нахождение оптимального В/Ц
По полученным значениям пределов прочности бетона при сжатии строится
график зависимости прочности от В/Ц отношения и интерполяцией определяется
В/Ц, обеспечивающее получение бетона проектной марки (класса).
Допускается определение оптимального В/Ц производить методом экстраполяции.
После определения оптимального В/Ц записать откорректированный состав
бетона, обеспечивающий запроектированную марку по показателю прочности.
Контрольные вопросы
1 От чего зависит размер контрольных образцов бетона при определении
предела прочности при сжатии?
1 От жесткости бетонной смеси
2 От удобоукладываемости бетонной смеси
3 От размеров бетонируемой конструкции
4 От наибольшей крупности заполнителя
2 Каковы условия твердения бетона при определении его марки?
1 28 суток хранения в воде при температуре 18...22 C.
2 Сутки хранения на воздухе под влажной тканью и 27 суток хранения в воде
при температуре 17...23 ºC.
155
3 28 суток хранения на воздухе при температуре 18...22 C и относительной
влажности не менее 60 %.
4 28 суток хранения на воздухе при температуре 18...22 C и относительной
влажности не менее 95 %.
3 Почему при определении прочности бетона разрушающая нагрузка должна быть направлена параллельно слоям укладки бетонной смеси?
1Так как не нужно выравнивать поверхности образцов.
2 Направление нагрузки не связано с направлением укладки бетонной смеси.
3 Так как требуется определить максимальную прочность бетона.
4 Так как требуется определить минимальную прочность бетона.
4 Как определяется марочная прочность бетона?
1 Испытанием на прессе трех образцов марочной формы и размеров после 28
суток твердения в воде при температуре 20 C.
2 Испытанием трех образцов марочной формы и размеров на прессе через 28
суток твердения при температуре 18...22 C и относительной влажности воздуха
не ниже 95 %.
3 Испытанием на прессе трех образцов-балочек 4х4х16 см на изгиб и сжатие
через 28 суток твердения в воде при температуре 18…22 C.
4 Испытанием на прессе трех образцов-кубиков через 2 часа воздушного твердения.
5 Может ли прочность бетона быть больше марочной?
1 Может при благоприятных условиях твердения (положительная температура
и высокая относительная влажность воздуха) и большей длительности твердения
бетона.
2 Может только для бетона после тепловлажностной обработки с последующим твердением при температуре не менее 20 C и высокой влажности воздуха.
3 Не может.
4 Может только для бетонов, подвергаемых тепловлажностной обработке.
6 Для чего нужно определять оптимальное В/Ц при корректировке состава
бетона по прочности?
1 Для обеспечения удобоукладываемости бетонной смеси.
2 Для обеспечения марочной прочности бетона при минимальном расходе цемента и повышения однородности бетона по прочности и плотности.
3 Для достижения максимальной прочности бетона.
4 Для получения бетонов повышенной плотности и долговечности.
7 Какой масштабный коэффициент применяют для определения марки тяжелого бетона при испытании образцов-кубов 15 х 15 см?
1 0,85.
2 0,95.
3 1,00.
4 1,05.
156
8 Как влияет изменение В/Ц на прочность бетона
равных условиях?
1 Прямо пропорционально.
2 Обратно пропорционально.
3 Существует оптимальное значение В/Ц.
4 В/Ц не влияет на прочность бетона.
при прочих
9 Если бетон после формования высушить, наберет ли он марочную прочность?
1 Прочность будет выше марочной, так как часть воды испарится и понизится
В/Ц.
2 Марочная прочность будет достигнута, так как наряду со снижением В/Ц повысится его плотность.
3 Прочность бетона будет достигнута на момент высушивания.
4 Прочность бетона будет ниже марочной, так как уменьшится степень гидратации цемента и повысится пористость бетона.
Лабораторная работа № 14
ПОЛИМЕРБЕТОН
Общие сведения
157
Полимербетоны – бетоны, в которые вводится заметное количество полимеров, создающих в структуре полимерную фазу, влияющую на строение и свойства композита.
Они делятся на следующие виды:
– полимерные бетоны изготавливаются только на полимерном вяжущем;
– бетонополимеры получают пропиткой полимером готового железобетонного
изделия;
– цементно-полимерные бетоны, в которых основным вяжущим является цемент, а полимер в количестве от 1 до 5 % дополняет структуру;
– бетоны, содержащие полимерные материалы – заполнители, фибру, микронаполнители.
Полимербетоны обязательно включают полимерное связующее (5…10 %) –
эпоксидные, фурановые, полиэфирные и др. смолы, неорганические заполнители
с плотной упаковкой – песок, щебень (90…95 %), а также тонкомолотые наполнители (1…5 %) – кварцевая, карбонатная и диабазовая мука, и пластификаторы
(1…5 %).
Большинство смол отверждаются при введении катализаторов. Для эпоксидных смол ЭД-16, ЭД-22, ЭД-20 это ПЭПА (10…15 %), для фурановых это сульфокислоты ФА (20…30 %), для полиэфирных ПН-1, ПН-3, и полиэфиракрилатных МГФ-9, ТМГФ-11 это перекись бензоила, циклогексанон и др.
С повышением температуры скорость отверждения возрастает. Для повышения деформативных свойств в состав смолы вводят добавки пластификаторы –
для ЭД ДБФ 15…20 %. Расход смол равен объему пустот в микронаполнителе
+10…20 % для обеспечения требуемой подвижности.
Приготовление полимербетонных смесей производят при нормальной температуре в скоростных смесителях, смесь затем быстро укладывается в качественно смазанную форму и виброуплотняется. После тепловой обработке или
выдержки при нормальной температуре полимербетон набирает свойства.
Для полимербетонов характерны высокие механические свойства, прочность
при сжатии до 100 МПа, при растяжении до 12 МПа, высокая химическая стойкость, водонепроницаемость, низкая истираемость и т.д. Однако стоимость полимерных бетонов в 4…17 раз выше, чем обычного бетона.
Цементно-полимерные бетоны содержат в качестве основного вяжущего цемент с добавлением 1…5 % от массы цемента полимеров в виде эмульсий или водорастворимых смол. При этом происходит рост прочности на 20…30 %, водонепроницаемости на 3…4 марки, морозостойкости, деформативности и т.д. в сравнении с исходным цементным бетоном. В качестве эмульсий могут применяться
латексы СКС и др., ПВА, акрилаты в комплексе со стабилизаторами и инициаторами твердения. В качестве водорастворимых смол используют ДЭГ-1, ТЭГ-17,
С-89, фуриловый спирт и др. в комплексе с отвердителем.
Такие бетоны обладают самой низкой стоимостью из всех видов полимербетонов за счет небольшого содержания полимеров, и повышенной эффективностью.
158
Бетонополимеры получают путем сушки, вакуумирования и пропитки мономерами с их последующей полимеризацией. За счет заполнения пор бетона изменяются свойства его структуры. Повышается коррозионная стойкость, повышается прочность до 200 МПа (в 2…10 раз) и т.д. Полимер, отвержденный в порах
бетона работает как дисперсная арматура при условии хорошего сцепления с цементной матрицей.
Для пропитки могут использоваться различные материалы с оптимальной
вязкостью. При высокой вязкости не пропитываются мелкие поры, при низкой –
мономер не удерживается в крупных порах. При необходимости закрыть доступ
воды и газов в тело бетона, он пропитывается органическими жидкостями типа
петролатума, битума. Последующая обработка не требуется, а глубина пропитки
составляет 1…3 см. Для изменения структуры и свойств используют жидкие мономеры – метилметакрилат, стирол, эпоксидные полимеры и др с последующим
отверждением под действием высоких температур (70…120 оС) или инициаторов
твердения. Глубина пропитки достигает 10…20 см, для полной пропитки требуется мономера 2…5 % от массы бетона. Иногда применяют пропитку бетона мономерным газом (стирольный), который при последующей обработке также полимеризуется в порах.
Полимербетоны подразделяются на 3 вида:
– полимерные бетоны, в которых связующим является полимер;
– цементно-полимерные бетоны, в которых полимер играет роль дополнительного связующего, а основным вяжущим является портландцемент;
– бетонополимеры, технология для которых подразумевает пропитку открытой
пористости рядового бетона полимерами.
Цель работы:
– изучить принципы получения и свойства полимерных и цементнополимерных бетонов;
– определить влияние дозировки водорастворимого полимера на свойства цементно-полимерных растворных смесей и растворов;
– определить влияние соотношения «связующее-наполнитель» на свойства полимербетона на эпоксидном связующем.
Порядок выполнения работы
1 Оценка свойств цементно-полимерной смеси и изготовление образцов цементно-полимерного бетона
159
1 звено приготовляет цементно-песчаную смесь состава 1:2 в количестве 1500
г. Затем в нее вводится вода до консистенции соответствующей диметру расплыва на встряхивающем столике 170±5 мм согласно методике определения водопотребности песка (работа № 9). Из полученной смеси методом виброуплотнения
формуются образцы-балочки 4х4х16 см (работа № 7).
2, 3 и 4 звено изготавливают смеси того же состава, но с добавлением 1; 1,5 и
2% от массы цемента водорастворимого полимера ДЭГ-1 с заранее введенным
отвердителем ПЭПА (полиэтиленполиамин) (в количестве 10 % от массы смолы).
Для всех смесей определяется диаметр расплыва на встряхивающем столике и
формуются образцы-балочки 4х4х16 см.
Образцы с формами помещаются в камеру нормального твердения до набора
распалубочной прочности.
По результатам выполнения 1 этапа необходимо построить зависимости расплыва конуса растворных смесей от дозировки водорастворимого полимера и
сделать заключение о влиянии полимера на подвижность растворных смесей.
2 Изготовление образцов полимерного бетона
Полимербетонные смеси приготовляются на основе кварцевого песка,
наполнителя (мел, тонкомолотый графит, тонкомолотый кварц), вязкой эпоксидной смолы ЭД-18 или ЭД-20, отвердителя.
Звенья приготовляют кварцевый песок в количестве 1200 г, и полимерное
связующее в количестве 300 г путем смешивания в резиновых чашах эпоксидной
смолы с 10 % отвердителя (ПЭПА) и наполнителя в соотношении 1:2, 1:1 и 2:1,
3:1. После приготовления пластической массы в полимерное связующее постепенно всыпается песок при постоянном перемешивании до получения однородной полимербетонной смеси.
Из полученной полимербетонной смеси изготовляют образцы-балочки
4х4х16 см. Формы предварительно смазываются смазкой и изнутри оклеиваются
газетными листами. Формование производится путем штыкования смеси металлическим стержнем в количестве не менее 20 штыкований на каждое отделение
формы. Излишки смеси после штыкования срезаются металлической линейкой.
После завершения формования формы с образцами помещаются в сушильный
шкаф с температурой 80…90 оС на 30…40 мин до набора распалубочной прочности. Затем образцы извлекаются из форм и помещаются в нормальные воздушные
условия до марочного возраста.
3 Проведение сравнительных испытаний образцов
цементно-полимерного и полимерного бетонов
После достижения образцами цементно-полимерного и полимерного бетонов
марочного возраста (28 суток) производятся определения средней плотности,
прочности при изгибе, прочности при сжатии и водопоглощения.
160
Результаты испытаний обрабатываются, строятся зависимости средней плотности, прочности при сжатии, прочности при изгибе и водопоглощения цементно-полимерных и полимерных бетонов.
Выводы по работе
Производится расчет фактического расхода полимерного связующего в полимербетонах, исходя из значений средней плотности.
Делается заключение о влиянии дозировки полимеров на свойства соответствующих бетонов.
Контрольные вопросы
1 Цементно-полимерные бетоны это:
1 Бетоны, в которых связующим является полимер.
2 Бетоны, в которых полимер играет роль дополнительного связующего, а основным вяжущим является портландцемент.
3 Бетоны, открытая пористость которых пропитана полимерами.
4 Смеси полимерного связующего и портландцемента.
2 Полимеры это:
1 Высокомолекулярные органические соединения.
2 Высокомолекулярные неорганические соединения.
3 Низкомолекулярные соединения.
4 Высокомолекулярные соединения.
3 Полимербетоны отличаются
1 Высокой прочностью при сжатии и растяжении.
2 Высокой водонепроницаемостью.
3 Высокой коррозионной стойкостью.
4 Низкой плотностью.
4 Введение водорастворимых полимеров
1 Повышает удобоукладываемость в начальные сроки.
2 Не влияет на удобоукладываемость бетонных смесей.
3 Снижает удобоукладываемость бетонных смесей.
4 Повышает удобоукладываемость бетонных смесей.
5 Полимербетоны отверждаются путем
1 Введения отвердителя.
2 Тепловой обработки.
3 Тепловлажностной обработки.
4 Обжига.
6 Наименее дорогостоящими являются
161
1 Полимербетоны.
2 Бетонополимеры.
3 Полимерцементные бетоны.
3 Цементно-полимерные бетоны.
Лабораторная работа № 15
ГАЗОБЕТОН
Общие сведения
Газобетон относится к одной из разновидностей ячеистого бетона, которые
образуют своеобразную структуру макропор (ячеек), равномерно распределен-
162
ных в объеме бетона и разделенных друг от друга тонкими, но достаточно прочными перегородками (мембранами). Макропоры имеют диаметр 0,5…2,0 мм.
В зависимости от назначения ячеистые бетоны делят на теплоизоляционные,
конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные (таблица 51), а также на
специальные (жаростойкие, акустические).
Таблица 51 – Основные характеристики ячеистых бетонов*
Бетон
Теплоизоляционный
Конструктивнотеплоизоляционный
Конструктивный
Марка бетона
по плотности,
кг/м3
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Марка бетона Класс бетона
по прочности, по прочноМ
сти, В
5
0,35
10
0,75
10, 15
0,75; 1,00
15, 25
1,0; 1,5
25, 35
1,5; 2,5
35, 50
2,5; 3,5
50, 75
3,5; 5,0
75, 100
5; 7,5
100, 150
7,5; 10
150, 200
10, 15
Марка бетона по
морозостойкости, F
–
–
–
15, 25
15, 25, 35
15, 25, 35
15, 25, 35
15, 25, 35
15, 25, 35
15, 25, 35
* после тепловлажностной обработки ТВО ячеистые бетоны неавтоклавного твердения
должны иметь прочность при сжатии не менее 70 % от марочной прочности.
Производство газобетона сопровождается выраженным эффектом вспучивания исходной бетонной массы. Вспучивание чаще всего достигается искусственно за счет введения в состав бетонной смеси газообразователей.
В качестве газообразователя применяют тонкоизмельченный алюминиевый
порошок (пудру), реже пергидроль H2O2.
Образование газа в первом случае происходит в результате взаимодействия
алюминиевой пудры Al с известью, образующейся при гидратации портландцемента и образование при этом водорода
3Ca(OH)2 + 2Al + 6H2O = 3CaO∙Al2O3∙6H2O + 3H2↑.
Выделяющийся водород частично теряется при перемешивании, но большая
часть (70…85 %), расширяясь, вспучивает бетонную смесь. Вспучивание происходит интенсивнее, если в смесь добавить известь-пушонку. Важно, чтобы максимальное газовыделение происходило в момент структурообразования смеси,
характерной особенностью которого является ее способность удерживать образующиеся газы и сохранять вспучиваемость.
Образование газа во втором случае происходит за счет разложения пергидроля
в щелочной среде с образованием кислорода
H2O2 = 2H2O + O2↑.
163
Изготовление газобетона может происходить по литьевой или вибрационной
технологии. По литьевой технологии водотвердое отношение В/Т смеси находится в пределах 0,50…0,60, по вибрационной технологии – 0,35…0,45. На большинстве заводов по производству газобетонных изделий нашел распространение
литьевой способ с резательной операцией. Приготовление газобетонной смеси
производится в следующей последовательности. Сначала вяжущее вещество с
кремнеземистым компонентом перемешивается всухую. В качестве кремнеземистого компонента используют кварцевый песок с содержанием 80…85 % SiO2 и
удельной поверхностью не менее 2000 см2/г. Вместо песка можно использовать
маршалит, золу-унос ТЭС, молотые шлаки. После получения однородной сухой
массы в нее вводят воду и в течение 2-3 мин перемешивают до получения однородной массы с последующим введением водной суспензии алюминиевой пудры
или 80 %-го раствора пергидроля. Готовую смесь заливают в форму, где и происходит ее вспучивание. Для лучшего вспучивания желательно, чтобы смесь имела
повышенную температуру. При использовании вибрационной технологии смесь
уплотняется в формах на виброплощадках. На завершающей стадии формы со
смесью направляются на предварительную выдержку. Образующаяся горбушка,
выходящая за пределы формы, удаляется. Массив разрезается на изделия заданных размеров. Твердение может происходить в автоклавах и при нормальном
давлении.
Цель работы
Изучить влияние текучести и способа формования на газоудерживающую способность смеси и влияние величины В/Т на прочность газобетона.
Порядок выполнения работы
Дежурное звено начинает работать первым. С помощью вискозиметра Суттарда (работа № 5) оно определяет количество воды затворения, необходимое для
получения смеси определенной текучести (d = 9…11 см). В состав твердого компонента смеси входят цемент, известь, песок и алюминиевая пудра.
Остальные звенья готовят смеси с завышенным В/Т, соответственно на 0,1; 0,2
и 0,3 против величины, полученного дежурным звеном. Все звенья определяют
текучесть теста, плотность смеси, пористость отформованной газобетонной смеси и отвердевшего бетона при применении литьевого и вибрационного способов
формования. Испытания производятся по методике работы № 13.
Методы испытаний
1 Приготовление бетонной смеси
Все звенья готовят смесь одного состава твердой части (Т):
– цемент = 2000 г;
164
– известь негашеная молотая = 150 г;
– песок = 2000 г;
– алюминиевая пудра = 1,5 г.
Пудра вводится в виде водной суспензии (10 г пудры на 1000 мл воды) с добавлением 5 % гидрофильных ПАВ от массы алюминия в пересчете на сухое вещество (приложение 2). Добавка ПАВ необходима для улучшения адгезии пудры
с цементным камнем.
В протертую влажной тканью сферическую металлическую чашу высыпается
песок, цемент, известь. Смесь компонентов перемешивается до получения однородной массы. Затем в центре массы делают углубление, в которое выливается
подготовленная суспензия алюминиевой пудры и необходимое количество воды.
Смесь перемешивают до получения однородной массы, измеряют температуру и
определяют текучесть на вискозиметре Суттарда. Создание требуемой температуры (~ 40 оС) производится применением подогретых до определенной температуры заполнителей и воды. В случае несоответствия текучести смеси требуемым
значениям опыт повторяют на новой смеси с соответствующими дополнениями
компонентов по составу.
2 Определение плотности бетонной смеси
Собрать две формы кубов с размером ребра 10 см, смазать тонким слоем машинного масла, взвесить, заполнить полученной смесью, избыток срезать с открытой поверхности, загладить и вновь взвесить. Плотность смеси определяют по
известным формулам. Величину показателя плотности смеси вычисляют как
среднее арифметическое двух результатов. Определение текучести и плотности
смеси должно длится не более 10 мин, так как эти показатели изменяются во
времени за счет газообразования.
3 Определение средней плотности отформованной смеси
Одну форму со смесью после определения плотности оставляют до вызревания (вспучивания) на 1 час, а другую форму сочленяют с насадкой и вибрируют
на виброплощадке до прекращения вспучивания и появления горбушки. Отмечается время, затраченное на вибрацию. Этот время выдерживается всеми звеньями
при уплотнении контрольных образцов. После часового вызревания с формы
срезается горбушка, формы взвешивают и определяют средние показатели литьевой и виброуплотненной газобетонной смеси.
4 Определение пористости газобетонной смеси
Пористость смеси определяет каждое звено по полученным результатам плотности и средней плотности газобетонной смеси.
5 Определение пористости и прочности газобетона
165
Все формы с бетонной смесью оставляют для полного вызревания при температуре не ниже 20 оС, после чего срезают горбушку и помещают образцы в формах в камеру для гидротермальной обработки. Можно применять ТВО или оставить твердеть бетон в нормальных условиях. Следует учесть, что условия твердения для всех звеньев должны быть одинаковыми.
При достижении распалубочной прочности, но не ранее чем через 48 часов
образцы вынимают из формы, выдерживают до влажно-сухого состояния, взвешивают, замеряют и испытывают для определения механических свойств.
Контрольные образцы испытывают не ранее чем через 12 час после ТВО, а
при нормальном твердении – через 28 суток от начала изготовления смеси.
Предел прочности при сжатии вычисляют с погрешностью 0,01 МПа по формуле
R сж = α · К· N/S,
(44)
где R сж – предел прочности газобетона при сжатии ; α – переводной коэффициент к прочности эталонного образца-куба с размером ребра 15 см и равный для образцов-кубов с размером ребра 10 см – 0,9; К – переводной коэффициент к прочности эталонного образца с влажностью по массе 8…12 %, определяемый по таблице 52; N - разрушающая нагрузка; S – средняя рабочая площадь образца до испытания.
Таблица 52 – Переводной коэффициент К
Влажность, %
Коэффициент К
0
0,80
5
0,90
10
1,00
15
1,05
20
1,10
25
1,15
Средняя плотность газобетона в состоянии естественной влажности вычисляют по результатам взвешивания и измерения образцов, проведенных перед испытанием их на прочность по формуле
ρˉ = m в/V,
(45)
где ρˉ – средняя плотность газобетона в состоянии естественной влажности, г/см3; m
масса образца в состоянии естественной влажности, г; V – объем образца, см3.
в
–
Средняя плотность бетона в высушенном состоянии вычисляется по формуле
ρˉ с = m в/(1 + 0,01 ω) · V,
(46)
где ρˉс - средняя плотность газобетона в высушенном состоянии, г/см3; m в – масса образца в состоянии естественной влажности, г; ω – влажность бетона, %; V – объем образца, см3.
166
Выводы по работе
По результатам испытаний образцов дать заключение о плотности и средней
плотности газобетонной смеси и газобетона и о влиянии на свойства газобетона
условий формования. Установить оптимальные В/Т и В/В отношения для получения газобетона с заданными свойствами.
Контрольные вопросы
1 В чем назначение автоклавной обработки при твердении газобетона?
1 Интенсификация процессов твердения вяжущего вещества.
2 Повышение максимальной температуры тепловой обработки.
3 Снижение энергоемкости производства газобетона
4 Улучшение процесса газообразования.
2 Какую роль выполняет песок в газобетоне автоклавного твердения?
1 Снижает расход вяжущего вещества.
2 Снижает усадочные трещины.
3 Является кремнеземистым компонентом вяжущего вещества, участвует в
формировании гидросиликатов кальция и снижает усадочные трещины.
4 Выполняет только функцию кремнеземистого компонента, обеспечивая образование гидросиликатов кальция.
3 Какова роль извести в автоклавных газобетонах при использовании в качестве газообразователя алюминиевой пудры?
1 Известь нужна только для обеспечения газовыделения.
2 Известь является химическим реагентом двухкомпонентного газообразователя и участвует в реакции образования гидросиликатов кальция.
3 Известь гарантирует максимальное газообразование при ее минимальном
расходе.
4 Известь является одним из главных компонентов сложного силикатного вяжущего вещества.
4 Как отразится увеличение В/Т на эксплуатационные характеристики газобетонов?
1 Уменьшается прочность и морозостойкость.
2 Увеличится пористость, а прочность и морозостойкость не изменится.
3 Снижается пористость и повышается прочность.
4 Улучшается удобоукладываемость бетонной смеси, повышается прочность и
морозостойкость.
167
5 Чем регулируется газоудерживающая способность газобетонной смеси?
1 Количеством кремнеземистого компонента.
2 Только вязкостью бетонной смеси.
3 Количеством воды.
4 Вязкостью смеси и степенью ее тиксотропного разжижения при формовании.
6 Почему при приготовлении суспензии алюминиевой пудры порошок собирается на поверхности воды?
1 Алюминиевый порошок легче воды.
2 Алюминиевый порошок удерживается на поверхности воды силами поверхностного натяжения.
3 Алюминиевый порошок покрывается парафином для придания ему гидрофобности.
4 Алюминиевый порошок имеет высокую удельную поверхность и поэтому
высокую энергию слипаемости, что не дает ему возможности покрываться слоем
воды.
7 Почему алюминиевую пудру нельзя вводить в бетонную смесь в сухом виде, а
нужно предварительно приготовить водную суспензию?
1 Введение алюминиевой пудры в сухом виде приведет к взрыву.
2 Вследствие гидрофобности алюминиевой пудры она будет неравномерно
распределяться в смеси и не обеспечит однородную структуру.
3 Алюминиевая пудра в сухом состоянии е вызовет газообразования.
4 При сухой дозировке пудры возможны ее большие потери.
8 Какой вид извести способствует ускорению газообразования, улучшению газоудерживающей способности и более быстрому нарастанию прочности газобетона?
1 Молотая негашеная известь.
2 Известь-пушонка.
3 Известковое тесто.
4 Гидравлическая известь.
Лабораторная работа № 16
СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
Общие сведения
Строительные растворы относятся к композиционным каменным материалам,
как и бетоны, только в них отсутствует крупный заполнитель. Рассматривая рас-
168
твор как мелкозернистый бетон, следует помнить, что растворы отличаются
большей удельной поверхностью заполнителей, растворные смеси укладываются
тонким слоем без значительного уплотнения и, как правило, на пористое основание, способное отсасывать воду из них. Чтобы обеспечить однородность, пластичность и водоудерживающую способность растворной смеси при минимально
возможном расходе вяжущего вещества применяют минеральные или органические пластификаторы. Необходимо учитывать, что избыточное количество вяжущего и минерального пластификатора в составе раствора увеличивает его водопотребность и усадку при твердении.
Растворные смеси с малой водоудерживающей способностью склонны к расслоению, что нарушает однородность смеси и понижает прочность раствора.
Лучший состав и качество растворной смеси достигаются в том случае, когда пустоты в песке заполнены тестом из вяжущего вещества, воды и добавок, а поверхность зерен песка покрыта тонким слоем этого теста.
Строительный раствор – искусственный каменный материал, получаемый в
результате твердения смеси вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя и
добавок, улучшающих свойства строительных растворных смесей и растворов.
Данная смесь до начала схватывания вяжущего вещества называется строительной растворной смесью.
Классифицируют строительные растворы по:
– плотности (тяжелые растворы с плотностью ≥ 1500 кг/м3 и легкие растворы с
плотностью < 1500 кг/м3);
– виду вяжущего (цементные растворы, известковые растворы, гипсовые растворы, смешанные растворы);
– назначению (кладочные растворы, отделочные растворы и специальные растворы).
К материалам, применяемым для изготовления строительных растворов (вяжущее вещество, мелкий заполнитель, вода, добавки), предъявляются соответствующие требования.
Вяжущее вещество. Вид вяжущего вещества зависит от условий работы и
прочности раствора. Марка вяжущего по прочности должна быть больше марки
раствора в 3-4 раза. Применяются портландцемент для строительных растворов,
воздушная известь, гипсовые вяжущие вещества, смешанные вяжущие вещества.
Воздушную известь вводит в виде известкового теста, иногда используют молотую негашеную известь.
Мелкий заполнитель. Для тяжелых растворов лучше применять кварцевый песок; для легких растворов – пески из пемзы, туфа, ракушечника, керамзита. Для
кладочных растворов применяются пески размером зерна ≤ 2 мм, для бутовой
кладки ≤ 5 мм, для штукатурных растворов ≤ 1,2 мм. Для растворов марки М100
и выше пески должны удовлетворять тем же требованиям, что и для изготовления тяжелых бетонов.
Вода не должна содержать вредных примесей: растворимых солей, сульфатов
и хлоридов.
169
Специальные добавки. Пластификаторы снижают расход вяжущего вещества,
придают смесям необходимую пластичность и повышают ее водоудерживающую
способность. Для этого применяются неорганические тонкодисперсные порошки
(глина, известь, молотые шлаки, зола, тонкомолотый трепел и диатомит) и органические поверхностно активные вещества (ЛСТ, СНВ, мылонафт).
Кладочные строительные растворы предназначены для надежного соединения
между собой отдельных элементов кладки, равномерного распределения нагрузки в ней и монтажа стен из панелей и блоков.
Цементные растворы применяют для подземной кладки и кладки ниже гидроизоляционного слоя. Цементно-известковые и цементно-глиняные растворы используются как в подземных, так и наземных частях зданий и сооружений. Известковые растворы используются в наземных частях зданий с небольшими
нагрузками.
Кладочные растворные смеси и растворы должны обладать рядом свойств,
главными из которых являются удобоукладываемость, водоудерживающая способность и прочность при сжатии.
Удобоукладываемость – способность растворной смеси распределяться на основании тонким однородным слоем, прочно сцепляющимся с поверхностью. Характеризуется подвижностью, которая определяется по глубине погружения конуса в исследуемую растворную смесь.
Водоудерживающая способность – способность растворной смеси не расслаиваться при транспортировании и сохранять достаточное количество воды в тонком слое смеси, уложенной на пористое основание.
Прочность при сжатии. На прочность кладочного раствора, работающего на
плотном основании, влияют те же факторы, что и для бетонов, т.е. активность
вяжущего и водоцементное отношение согласно закону прочности раствора
R p = 0,4 R ц (Ц/В – 0,3).
(47)
Прочность растворов, уложенных на пористое основание, повышается примерно в 1,5 раза за счет уменьшения воды и уплотнения раствора при твердении
по сравнению с растворами, уложенными на плотное основание. После отсоса части воды в растворной смеси устанавливается постоянное водоцементное отношение.
Прочность раствора R р (МПа), работающего на пористом основании, определяется в зависимости от расхода вяжущего вещества Ц (т/м3), его активности R ц
и крупности песка k
R р = k · Rц (Ц – 0,05) + 4,
(48)
где k – коэффициент крупности песка, зависящий от качества песка: для крупного песка –
2,2; песка средней крупности – 1,8; мелкого песка – 1,4.
170
Установлены марки раствора по прочности М4, М10, М25, М50, М75, М100,
М150, М200. При возведении стен из панелей, крупных блоков к обычной каменной кладке в зимнее время без устройства тепляков марку строительного раствора повышают на одну ступень. При отрицательных температурах для сохранения жидкой фазы и продолжения реакции гидратации в состав строительного
раствора вводят химические противоморозные добавки (поташ, нитрит натрия,
хлористые соли и др.). Для монтажных растворов минимальная марка по прочности М100.
По морозостойкости кладочные растворы классифицируются на марки (F 10, F
15, F 25, F 35, F 50, F 100, F 150, F 200, F 300).
Цель работы
Изучить основные свойства кладочных строительных растворных смесей и
растворов, исследовать влияние на них некоторых видов пластификаторов.
Порядок выполнения работы
Для решения поставленных задач, каждому звену студентов предлагается подобрать состав смешанного кладочного строительного раствора, работающего на
пористом основании, при заданных показателях подвижности и прочности. Изучить влияние вида пластификатора на дозировку воды, водоудерживающую способность растворной смеси и прочность раствора. Определить прочность раствора. Оценить преимущества применения смешанных строительных растворов.
Дежурное звено готовит простую растворную смесь из цемента и песка, приливая воду до получения проектной подвижности, после чего производит оценку
расслаиваемости и водоудерживающей способности. Другие звенья оценивают
свойства растворной смеси и раствора, в которых используются минеральный
или органический пластификаторы. В качестве таких пластификаторов можно
рекомендовать известковое и глиняное тесто с показателем подвижности 13…14
см, а также 2 % -ный раствор ЛСТ, дозируя его в количестве 0,2 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1 Определение подвижности растворной смеси
По рассчитанному или выданному преподавателем составу раствора каждое
звено готовит растворные смеси для кладочных или штукатурных растворов. В
сферическую чашу для затворения, дно которой предварительно протирают
влажной тканью, высыпают необходимое количество песка. В песке лопаткой делают лунку, в которую высыпают необходимое количество вяжущего вещества.
В течение 1 минуты песок и вяжущее вещество перемешивают до получения однородной массы, в результате чего получается сухая смесь – гарцовка. В случае
171
приготовления смешанного раствора операцию повторяют с введением соответствующего компонента. В гарцовке лопаткой делают лунку, заливают ее отмеренным количеством воды и смесь хорошо перемешивают.
Определение подвижности растворной смеси производят с использованием
прибора, схема которого представлена на рисунке 38.
Рисунок 38 – Прибор для определения подвижности растворной смеси
1 – сосуд для растворной смеси, 2 – эталонный конус, 3 – винт, 4 – шкала,
5 – штанга, 6 – стойка, 7 – зажимы, 8 – растворная смесь
Тщательно перемешанная смесь лопаткой переносится в коническое ведро таким образом, чтобы она на 2-3 см не доходила до краев. Стальным стержнем
диаметром 10 мм смесь штыкуют до дна 25 раз. Пятью-шестью легкими ударами
ведра о стол смесь разравнивают. Затем сразу же ведро с растворной смесью помещают под острие эталонного конуса, который подводят до соприкосновения с
растворной смесью. Стопорным винтом конус фиксируют в этом положении и по
шкале прибора берут отсчет в см. Затем стопорный винт отпускают, и эталонный
конус массой 300 г опускают в растворную смесь. Через 30 с по шкале прибора
берут отсчет. Разность показаний прибора дает подвижность растворной смеси по
172
осадке конуса ОК. Если подвижность смеси ниже требуемой, то ее корректируют
добавлением воды. Если подвижность смеси выше требуемой, то ее корректируют добавлением сухих компонентов в соответствующих соотношениях.
Водовяжущее отношение В/В растворной смеси определяют по формуле
В/В = m1/m2,
(49)
где В/В – водовяжущее отношение в относительных долях с погрешностью 0,01; m1 – масса
воды, г; m2 – масса вяжущего вещества, г.
В случае необходимости определяют водотвердое отношение В/Т, по данной
формуле, где m2 – масса всех твердых компонентов смеси, г.
2 Определение плотности растворной смеси
Растворной смесью наполняют с избытком цилиндрический сосуд вместимостью 1 л. Перед испытанием сосуд предварительно взвешивают с погрешностью
2 г. Смесь уплотняют штыкованием стальным стержнем диаметром 12 мм 25 раз
и пятью-шестью легкими ударами сосуда о стол. После уплотнения избыток смеси срезают. Стенки мерного сосуда очищают и сосуд взвешивают.
Плотность растворной смеси вычисляют по формуле
ρ = (m2 - m1)/1000,
(50)
где ρ – плотность растворной смеси, г\см3; m2 и m1 – массы мерного сосуда соответственно
со смесью и без нее, г; 1000 – объем цилиндра, см3.
Плотность растворной смеси определяют как среднее арифметическое двух
результатов испытаний смеси, взятой из одной пробы и отличающиеся между собой не более чем на 5 % от меньшего значения. При большем расхождении результатов определение повторяют на новой пробе растворной смеси.
3 Определение расслаиваемости растворной смеси
Растворную смесь укладывают и уплотняют в форме для контрольных образцов-кубов с размером ребра 150 мм. После этого уплотненную смесь в форме
подвергают вибрированию на виброплощадке в течение 1 мин. Верхний слой высотой 75 мм отбирают из формы на противень, а нижнюю часть выгружают из
формы путем опрокидывания на второй противень. Отобранные пробы растворной смеси взвешивают с погрешностью 2 г и подвергают мокрому рассеву на сите с отверстиями 0,16 мм. При мокром рассеве отдельные части пробы, уложенные на сито, промывают струей чистой воды до полного удаления вяжущего вещества. Промывку считают законченной, если из сита вытекает чистая вода.
173
Отмытые порции заполнителя переносят на чистый противень, высушивают
до постоянной массы и взвешивают с погрешностью 2 г.
Содержание заполнителя в верхней или нижней части уплотненной растворной смеси определяют по формуле
V = m1/m2.100 %,
(51)
где m1 – масса отмытого высушенного заполнителя из верхней (нижней) части смеси, г; m2
– масса растворной смеси, отобранной из верхней (нижней) части смеси, г.
Расслаиваемость растворной смеси П определяется по формуле
П = Δ V/ΣV.100 %,
(52)
где Δ V – абсолютная величина разности между содержанием заполнителя в верхней и нижней
частях смеси, %; ΣV – суммарное содержание заполнителя верхней и нижней частей смеси, %.
Величину П для каждой пробы растворной смеси определяют дважды т вычисляют как среднее арифметическое двух определений, отличающихся между
собой не более чем на 20 % от меньшего значения. При большем расхождении
результатов определение повторяют на новой пробе растворной смеси.
4 Определение водоудерживающей способности
Водоудерживающая способность растворной смеси определяется на приборе,
схема которого представлена на рисунке 39.
Рисунок 39 – Схема прибора для определения водоудерживающей способности
растворной смеси
Перед испытанием 10 листов промокательной бумаги взвешивают с погрешностью 0,1 г, укладывают на стеклянную пластинку, сверху укладывают прокладку из марлевой ткани, устанавливают металлическое кольцо и еще раз взвешивают. Тщательно перемешанную растворную смесь укладывают вровень с
174
краями металлического кольца, выравнивают, взвешивают и оставляют на 10
мин. Металлическое кольцо с растворной смесью осторожно снимают вместе с
марлей. Промокательную бумагу взвешивают с погрешностью 0,1 г.
Водоудерживающая способность растворной смеси V определяют в процентах
содержанием воды в пробе до и после опыта по формуле
V = [100 – (m2 – m1)/(m4 – m3)].100,
(53)
где m1 – масса промокательной бумаги до испытания, г; m2 – масса промокательной бумаги
после испытания, г; m3 – масса установки без растворной смеси, г; m4 – масса установки с растворной смесью, г.
Водоудерживающая способность растворной смеси определяется дважды для
каждой пробы растворной смеси и вычисляется как среднее арифметическое результатов двух определений, отличающихся между собой не более чем на 20 % от
меньшего значения.
5 Определение средней плотности раствора
Плотность раствора определяют испытанием образцов-кубов с размером ребра
70 мм, изготовленных из растворной смеси рабочего состава, либо пластинок
размером 50х50 мм, взятых из швов конструкции. Толщина пластин должна соответствовать толщине шва. При производственном контроле плотность раствора
определяют испытанием образцов, предназначенных для определения прочности
раствора. Образцы изготовляют и испытывают сериями. Серия должна состоять
из трех образцов. Объем образцов вычисляют по их геометрическим размерам.
Определенных с погрешностью 0,1 мм. Масса образцов определяется с погрешностью 0,1 г.
Плотность образцов раствора вычисляется с погрешностью 10 кг/м3 по формуле
ρ = m/V .1000,
(54)
где m – масса образца, г; V – объем образца см3 .
Плотность раствора серии образцов вычисляют как среднее арифметическое
результатов испытания всех образцов серии.
6 Определение марки строительного раствора
Марка строительного раствора определяется путем испытания образцов-кубов
с размером ребра 70 мм или половинок балочек 4х4х16 см в возрасте 28 суток. В
175
зависимости от условий работы раствора образцы изготовляют как на плотном,
так и на пористом основаниях. Если раствор работает на плотном основании, то
при изготовлении образцов собранную и смазанную машинным маслом форму
заполняют растворной смесью в два слоя высотой по 4 см каждый. Уплотнение
слоев смеси в каждом отделении формы производят 12 нажимами шпателя (рисунок 40) – шестью вдоль одной стороны и шестью в перпендикулярном направлениях. Избыток смеси срезают ножом, смоченным водой вровень с краями формы и заглаживают поверхность.
Рисунок 40 – Шпатель для уплотнения растворной смеси
Если раствор работает на пористом основании, то при изготовлении образцов
применяют металлическую форму без дна, которую предварительно устанавливают на кирпич, поверхность которого покрыта газетной бумагой. Все отделения
формы заполняют растворной смесью за один прием с некоторым избытком, затем уплотняют ее 25 нажимами стального стержня диаметром 10…12 мм, избыток смеси срезают и заглаживают поверхность.
Образцы, изготовленные из растворных смесей на гидравлических вяжущих
веществах, выдерживают в формах в камере нормального твердения. Образцы,
изготовленные из растворных смесей на воздушных вяжущих веществах – в помещении при температуре 18…27 оС и относительной влажности воздуха 55…75
%. Время нахождения образцов в данных условиях − 22…26 часов.
Затем образцы распалубливают и хранят их в тех же условиях до момента испытания. Марочная прочность раствора определяется в возрасте 28 суток. Но по
условиям учебного процесса образцы можно испытывать и в другие сроки. При
этом для приведения полученных результатов к марочной прочности полученные
значения прочности умножают на переводные коэффициенты, приведенные в
таблице 45.
Таблица 45 – переводные коэффициенты для определения марочной прочности раствора*
Возраст, сутки
Коэффициент
3
3,03
7
1.82
14
1,25
28
1.00
60
0,83
90
0,77
176
* – приведенные коэффициенты относятся только к растворам на портландцементе и его
разновидностях.
7 Приготовление штукатурных растворов
К штукатурным растворам не предъявляются требования по прочности, так
как они не несут какой-либо нагрузки, кроме собственной массы. Штукатурные
растворы состоят из нескольких слоев в зависимости от их назначения.
Первый подготовительный слой (обрызг) наносится на смоченную поверхность толщиной 5 мм на каменных, бетонных и кирпичных основаниях и не более 9 мм на деревянных основаниях.
Второй слой (грунт) наносится набрасыванием на схватившийся обрызг.
Грунт может состоять из нескольких слоев, второй и последующий слои наносят
намазыванием. Подвижность смесей для нанесения грунта 7…8 см. толщина слое
зависит от вида вяжущего вещества: у цементов – не более 10 мм, у известкового
и гипсового – до 20 мм. Последний слой грунта наносят особенно тщательно.
Третий слой (накрывка) наносится на схватившийся грунт и, если он пересох,
то его смачивают водой. Накрывку набрасывают или намазывают, Подвижность
смесей для нанесения накрывки 7…8 см для растворных смесей, не содержащих
гипсовых вяжущих веществ и 9…12 см для растворных смесей, содержащих гипсовые вяжущие вещества.
Штукатурные растворы должны иметь хорошее сцепление с оштукатуриваемой поверхностью. Для простейшей проверки на сцепление кирпич кладут в воду
на 5…7 мин. Насыщенный водой кирпич укладывают плашмя на горизонтальную
поверхность и вокруг него укладывают рамку высотой на 2 см выше верхней поверхности кирпича. В рамку укладывают растворную и штыкуют ее металлическим стержнем диаметром 10…12 мм 25 раз. Избыток растворной смеси и рамку
удаляют, кирпич переворачивают на тычок кирпича и наблюдают за смесью. Если через 5 мин она не будет сползать, то кирпич переворачивают на другой тычок
кирпича и выдерживают еще 5 мин. Растворная смесь с хорошим сцеплением
также не должна сползать с поверхности кирпича.
У штукатурных растворных смесей определяют ее жирность. Для этого в течение 1-2 мин смесь перемешивают палкой ил веслом и наблюдают степень прилипания. Тощая смесь почти не прилипает к палке или веслу (рисунок 41а),
смесь нормальной жирности прилипает в отдельных местах (рисунок 41б),
большое количество прилипшей смеси указывает на то, что смесь жирная (рисунок 41в).
177
Рисунок 41 – Определение жирности растворной смеси
Для обеспечения более прочного сцепления растворной смеси с поверхностью, ее тщательно готовят: очищают от пыли и грязи. Особенно выбирают швы,
насекают, срубают отдельные наплывы, удаляют смолы, масла и краски.
Для получения декоративных растворов применяют белый или цветные цементы, разноцветные заполнители и пигменты. При нанесении декоративных отделочных растворов проявляется индивидуальное творчество студентов. Декоративные растворы по фактуре делятся на грубые, средние и тонкие. Грубые фактуры создаются острием кельмы, лопаткой-совком, шпателем. Средние фактуры создаются с помощью штриховой щетки, циркулярного или прямоугольного шаблонов, синтетической губки, разглаживанием кельмой и деревянным мастерком,
ударом острием кельмы. Тонкие фактуры создаются с помощью металлического
шаблона путем вдавливания с последующим заглаживанием, обрызгом водой,
скоблением кельмой. Для повышения декоративности в состав отделочных растворных смесей вносят слюду, дробленое стекло и другие материалы.
Контрольные вопросы
1 Что входит в состав строительной растворной смеси?
1 Вяжущее вещество и вода.
2 Смесь глины, песка и гравия, затворяемая водой.
3 Однородная смесь вяжущего вещества с песком, добавками и водой.
4 Смесь глины, извести, цемента и воды.
2 Почему в состав строительного раствора не вводится крупный заполнитель?
1 Крупный заполнитель повышает усадку растворной смеси.
2 Строительный раствор применяют в виде тонких слоев.
3 Крупный заполнитель ухудшает коррозионную стойкость раствора.
4 Крупный заполнитель повышает стоимость строительного раствора.
3 От чего в большей степени зависит подвижность растворных смесей?
1 От крупности песка.
2 От количества песка.
3 От количества воды.
4 От времени перемешивания смеси.
4 Для какой цели в состав строительных растворных смесей вводятся пластификаторы?
1 Для повышения прочности раствора.
2 Для повышения водонепроницаемости раствора.
3 Для повышения декоративности раствора.
4 Для повышения пластичности и водоудерживающей способности смеси.
178
5 Что влияет на прочность, кладочного раствора, работающего на плотном
основании?
1 Прочность основания.
2 Прочность заполнителя
3 Вид цемента.
4 Активность вяжущего и пористость.
6 Почему в формулу прочности раствора, работающего на пористом основании, не входит водоцементное отношение?
1 В растворе, работающем на пористом основании отсутствует цемент.
2 В растворе, работающем на пористом основании устанавливается постоянное В/Ц из-за отсоса воды этим пористым основанием.
3 В растворе, работающем на пористом основании не контролируется количество воды.
4 В растворе, работающем на пористом основании не весь цемент участвует в
реакции гидратации.
7 Как влияет количество введенного в растворную смесь неорганического
пластификатора на прочность раствора?
1 С увеличением количества неорганического пластификатора прочность раствора возрастает.
2 С увеличением количества неорганического пластификатора прочность раствора понижается.
3 С увеличением количества неорганического пластификатора прочность раствора не меняется.
4 Для раствора определенного состава существует оптимальное количество
добавки неорганического пластификатора, позволяющее получить наибольшую
прочность.
8 Изменяют ли марку раствора при кладочных работах в зимнее время?
1 Марка раствора увеличивается на одну ступень при устройстве каменной
кладки без тепляков.
2 Марка раствора уменьшается на одну ступень при введении противоморозных добавок.
3 Марка раствора остается неизменной независимо от времени года.
4 Марка раствора увеличивается на одну ступень только при применении гидравлической извести.
9 Для каких целей применяют инъекционные растворы?
1 Для наружной и внутренней штукатурки повышенной плотности.
2 Для устройства полов в промышленных зданиях.
3 Для гидроизоляционных слоев.
179
4 Для обеспечения хорошего сцепления арматуры и бетона в преднапряженных ЖБК.
10 Как повысить защитные свойства рентгенозащитного раствора?
1 Применением баритового песка и других тяжелых пород, а также легких
элементов (лития, водорода, кадмия, бора).
2 Тщательным уплотнением растворной смеси.
3 Применением безусадочных цементов.
4 Применением чистого кварцевого песка, дробленых песков из белого известняка, мрамора.
Лабораторная работа № 17
НЕФТЯНЫЕ БИТУМЫ
Общие сведения
180
Битумные и дегтевые вяжущие наряду с полимерами и органическими клеями образуют группу органических вяжущих веществ. Их назначение аналогично
назначению минеральных вяжущих веществ – объединять, связывать отдельные
компоненты и элементы в строительных материалах и изделиях. На основе органических вяжущих производят большое количество материалов и изделий для
строительства.
Наиболее широкое применение в строительстве и в производстве строительных материалов получили нефтяные битумы, которые занимают по объему выпуска первое место среди остальных органических вяжущих.
Нефтяные битумы получают при фракционной перегонке нефти на нефтеперерабатывающих заводах путем обработки остатков, образующихся при этом.
По консистенции при нормальных температурах (18...22 C) нефтяные битумы
могут быть твердыми, обладающими упругими, а иногда и хрупкими свойствами; полутвердыми (вязкопластичными) и жидкими (легкотекучими).
По составу битумные вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводов метанового (СnH2n+n) и нафтенового (СnH2n) рядов и их
производных, которые изменяют свои физико-механические свойства в зависимости от температуры. Элементный состав битумов представлен углеродом
(70...87 %), водородом (до 15 %), кислородом (до 10 %), серой (до 1,5 %) и небольшим количеством азота. Однако этот состав не дает представления о химических соединениях, содержащихся в битуме и определяющих его структуру и
свойства.
Высокомолекулярные углеводороды, входящие в состав битумов, находятся в
различных агрегатных состояниях и образуют сложную дисперсную систему.
Выделить отдельные углеводородные соединения из этой смеси весьма сложно.
Поэтому для характеристики структуры и изучения свойств битумов выделяют
группы углеводородов со сходными свойствами:
Масла – вязкие жидкости с плотностью меньше единицы и молекулярной массой 300...500. Повышенное содержание масел в битуме снижает его твердость и
температуру размягчения, придает ему подвижность и текучесть. В битумах содержится 45...65 % масел.
Смолы - вязкопластичные вещества с плотностью около единицы. Состоят из
более сложных, чем масла, углеводородов с молекулярной массой 500...1000.
Смолы хорошо прилипают к поверхности каменных материалов, образуя водостойкие пленки, они придают битумам вяжущие свойства, повышают пластичность и растяжимость. В битумах содержится 15...30 % смол.
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды - вещества густой высоковязкой
смолистой консистенции с плотностью более единицы. Это наиболее полярный, а
следовательно, и наиболее поверхностно-активный компонент битума, содержание которого определяет способность битума прилипать и прочно сцепляться с
каменными и другими материалами.
Асфальтены и их модификации – карбены и карбоиды – твердые и неплавкие
вещества с плотностью более единицы и молекулярной массой 1000…5000 и
выше. Это важная составная часть битума, определяющая процессы структурооб-
181
разования, они придают битуму твердость и теплоустойчивость. В битумах содержится 10…30 % асфальтенов.
Согласно современной коллоидной теории структуры битума все его групповые компоненты образуют структурированную дисперсную систему. Асфальтены, коллоидно растворенные в маслянистой и смолистой среде, становятся своеобразными центрами или ядрами, которые окружены оболочкой среды убывающей плотности от тяжелых вязких смол к сравнительно легким текучим маслам.
В этой системе нет четко выраженной границы между дисперсной фазой и дисперсионной средой. В пограничной зоне адсорбированы полярные молекулы асфальтогеновых кислот.
Комплексные частицы дисперсной системы, называемые мицеллами, разрушаются при нагревании битума за счет усиления броуновского движения и частичного растворения асфальтенов, но при охлаждении структура битума самопроизвольно восстанавливается.
При плотной упаковке объёма битума мицеллами образуется структура типа
"гель" и битум отличается высокой вязкостью и твердостью.
Если есть избыток дисперсионной среды и мицеллы не контактируют между
собой и свободно перемещаются, то структура относится к типу "золь". Такая
структура характерна для жидких размягченных битумов с малой вязкостью.
Состояние и свойства битума всецело зависят от его фазового состава, изменить который можно регулированием технологических свойств битумных вяжущих: нагреванием и охлаждением, добавлением маслянистых углеводородов
(лигроин, нефть, мазут), введением тонкодисперсных минеральных наполнителей, разжижением растворителями и получением эмульсий.
Важно правильно учитывать, что в интервале температур (от - 40 до +120 C)
битум может находиться в различных состояниях (рисунок 43):
– упруго-хрупком, при котором каркас из асфальтенов фиксирован отвердевшей при отрицательных температурах прослойкой из смол, растворенных в маслах (зона 1);
– эластичном, при котором каркас из асфальтенов фиксирован и может лишь
упруго деформироваться во времени, но прослойки между элементами каркаса
жидкие (зона 2);
– упруго-пластическом, при котором частицы асфальтенов взаимодействуют
через тонкие прослойки среды, проявляющей при напряжениях, не превышающих предел текучести, упругие свойства (зона 3);
– упруго-вязком, которое характеризуется исчезновением пределов текучести,
прослойки среды между твердыми частицами асфальтенов увеличились за счет
частичного растворения последних (зона 4);
– истинно вязком, при котором дисперсионная среда занимает большую часть
объема и битум представляет собой суспензию набухших в углеводородах асфальтеновых частиц (зона 5).
182
Рисунок 43 – Зависимость состояния битума от температуры
Следовательно, состояние структуры битума предопределяет его свойства в
процессе эксплуатации и вместе с тем способы и области использования битума в
строительстве.
Так, например, находясь в истинно вязком состоянии, битум позволяет уложить асфальтобетонную смесь тонким ровным слоем и, при постепенном остывании, переходя в упруго-пластическое состояние, он обеспечивает хорошее уплотнение слоя, а в yпpyго-хрупком состоянии после остывания делает дорожное покрытие прочным и водонепроницаемым.
Битум имеет аморфную структуру в твердом состоянии, изотропен и характеризуется температурным интервалом размягчения. Битум, обладая гидрофобностью, водостоек, водонепроницаем в слоях, стоек к слабым агрессивным жидкостям и газам. Это вяжущее обладает высокой адгезией (прочностью сцепления) к
другим материалам (дерево, металл, бетон). Благодаря такому комплексу свойств
битумные вяжущие широко применяются в строительстве при устройстве кровли
и для гидроизоляции строительных конструкций; их используют в дорожном
строительстве в качестве вяжущего вещества для асфальтовых бетонов и растворов, в производстве кровельных, гидроизоляционных, пароизоляционных и теплоизоляционных материалов.
Битум эластичен при статических нагрузках, а при динамических нагрузках,
особенно в интервале отрицательных температур, – хрупок, обладает невысокой
теплостойкостью, горюч, легко растворяется в углеводородных растворителях.
Основными кровельными материалами, получаемыми на основе нефтяных битумов, является пергамин и рубероид.
183
Пергамин – беспокровный материал, изготовленный пропиткой кровельного
картона расплавленными мягкими битумами с температурой размягчения 40...50
C. Используется в качестве нижнего подкладочного слоя в многослойных кровельных покрытиях, а также при устройстве пароизоляции. Выпускают пергамин
марок П-300 и П-350.
Рубероид – покровный кровельный материал, отличающийся от пергамина
тем, что после пропитки кровельного картона его с обеих сторон покрывают тугоплавкими битумами с температурой размягчения 65...95 C. Для повышения
тепло-, влаго- и светостойкости в битум покровного слоя вводят наполнитель тонкоизмельченный минеральный порошок. Для повышения атмосферостойкости, снижения способности к возгоранию, а также предотвращения слипания рубероида в рулонах на лицевую сторону наносят мелкую минеральную посыпку.
В зависимости от назначения, вида посыпки и марки кровельного картона рубероид делят на марки: РКК-500А, РКК-400А (Б и В), PKM-350Б (B), РПМ и
РПП-300А (Б и В), РКЧ-350Б (В). Буква Р в марке означает рубероид; буквы К и
П – кровельный или подкладочный.
Третьи буквы К, М, П, Ч – вид посыпки (К – крупнозернистая, М – мелкозернистая, П – пылевидная, Ч – чешуйчатая); числа означают марку кровельного
картона (массу 1 м2 в граммах).
Цель работы
Изучить основные строительно-технические свойства нефтяного битума и исследовать зависимость его состояния и свойств от температуры; определить марку битума; изучить коллекцию рулонных кровельных материалов.
Порядок выполнения работы
Для выполнения задач исследования каждое звено студентов изучает экспериментально растяжимость битума в дуктилометре и оценивает его вязкость по глубине проникания иглы пенетрометра соответственно при температурах: первое
звено – 25 C; второе – 35 C; третье – 45 C и четвертое – 55 C. Вся подгруппа
студентов оценивает теплостойкость битума по температуре размягчения, устанавливаемой при помощи прибора "Кольцо и шар".
Марку битума и область его применения оценивают по растяжимости и вязкости, определенных при стандартной температуре 25 C, а также по значению температуры размягчения.
После завершения экспериментальной части работы студенты знакомятся с
коллекцией рулонных кровельных материалов, записывая основные сведения о
них в таблицу. Фиксируется точное название материала, его марка, вид основы,
ее пропитки и покрытия, наличие наполнителя и посыпки, область применения.
184
Методы испытаний
1 Определение глубины проникания иглы и расчет вязкости битума
Испытываемый битум в металлической чашке 7, имеющей внутренние размеры: диаметр 55 мм, высота 35 мм, помещают в кристаллизатор 8, наполненный
водой так, чтобы высота слоя воды над поверхностью битума была не менее 10
мм; температура воды в кристаллизаторе контролируется термометром с погрешностью 0,5 C (рисунок 44).
Кристаллизатор устанавливают на столик 9 пенетрометра 1 и острие иглы 6
подводят, пользуясь зеркалом 5, к поверхности битума так, чтобы игла только
слегка касалась ее. Кремальеру 3 доводят до верхней площадки стержня с иглой,
устанавливают стрелку на нуль циферблата 2 или отмечают ее положение. После
этого одновременно включают секундомер и нажимают кнопку 4 прибора, давая
игле свободно входить в испытуемый образец в течение 5 с. Затем доводят кремальеру вновь до верхней площадки стержня с иглой и отмечают показания прибора.
Определение повторяют до трех раз в различных точках на поверхности образца битума, отстоящих от краев чашки и друг от друга не менее чем на 10 мм.
После каждого погружения иглу вынимают из гнезда, отмывают кончик ее от
приставшего битума бензином или другим растворителем и насухо вытирают по
направлению к острию.
За величину глубины проникания иглы в десятых долях миллиметра принимают среднее арифметическое результатов трех погружений. Расхождение между
результатами параллельных определений не должно превышать 5 % от величины
меньшего результата.
Вязкость битума, определенная при различных температурах, подсчитывается
по формуле
 = К / h2,
(55)
где  – вязкость битума, Пас; К – коэффициент пересчета, равный 7,86108; h – глубина
проникания иглы пенетрометра, 10-1 мм.
По полученным результатам в отчете следует построить графики зависимостей вязкости и растяжимости битума от температуры.
2 Определение растяжимости битума
Испытание на растяжимость производят в дуктилометре (рисунок 45), который состоит из ванны (ящик, обитый жестью), внутри которой через всю длину
проходит червячный винт 1 с салазками 2; вращение винта придает салазкам по-
185
ступательное движение; на одной стороне прибора прикреплена стойка с тремя
штифтами, соответственно трем штифтам, имеющимся на салазках.
Рисунок 44 − Пенетрометр
Включая мотор дуктилометра 3, наблюдают за растяжением битума. Длину
нити битума в сантиметрах, отмеченную указателем-стрелкой по линейке в момент разрыва, принимают за растяжимость битума.
На салазках закреплен указатель-стрелка, передвигающийся при движении салазок вдоль линейки. Червячный винт приводится в движение от мотора 3. Скорость передвижения салазок 5 см/мин.
Формы-восьмерки 4 с битумом закрепляют в дуктилометре, для чего кольца
зажимов формы надевают на штифты, находящиеся на салазках и стойке
дуктилометра, после чего отнимают боковые части формы.
186
Дуктилометр должен быть наполнен водой, имеющей температуру, соответствующую заданию с погрешностью 0,5 ºC. Вода должна покрывать штифты не
менее чем на 25 мм.
Рисунок 45 – Дуктилометр
За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов
трех параллельных определений. Расхождение между параллельными определениями не должно превышать 10 % от среднего арифметического значения сравниваемых результатов испытаний.
3 Определение температуры размягчения битума
Определение температуры размягчения производят на приборе 'Кольцо и
шар", состоящего из металлического штатива 1 с тремя пластинками 5 и стакана
6 (рисунок 46). Расстояние между нижней и средней пластинками равно 25,4 мм.
В средней пластинке имеются два отверстия диаметром около 19 мм для установки в них колец 2, залитых испытуемым битумом.
Кольца с битумом помещают в отверстие на пластинке прибора. В среднее отверстие пластинки вставляется термометр 4 так, чтобы нижняя точка ртутного резервуара термометра была на одном уровне с нижней поверхностью битума в
кольцах.
Если температура размягчения битума ниже 80 C, штатив с кольцами ставят
на 5 мин в стакан, наполненный водой, имеющей температуру 4,5...5,5 C.
Если температура размягчения битума выше 80 C, то образец выдерживают в
течение 15 мин в глицерине при температуре 35±0,5 C.
По истечении 15 мин штатив вынимают из стакана, на каждое кольцо в центре
поверхности битума кладут стальной шарик 3 диаметром 9,5 мм (рисунок 47а) и
опускают штатив обратно в стакан.
Стакан устанавливают на нагревательный прибор так, чтобы плоскость колец
была строго горизонтальной. Температура воды или глицерина в стакане после
первых трех минут нагрева должна подниматься со скоростью 5±0,5 C в минуту.
187
За температуру размягчения битума принимают температуру, при которой
выдавливаемая шариком капля битума коснется нижней пластинки прибopa (рисунок 47б).
Рисунок 46 – Прибор «Кольцо и шар»
Рисунок 47 – Положение шара в приборе «Кольцо и шар»
188
Расхождение между двумя параллельными определениями не должно превышать 0,5 C.
По результатам опытов в отчете следует дать аргументированные объяснения
выявленным закономерностям с позиции теории дисперсной структуры битума и
указать границы температурных интервалов различных его состояний; а также
установить марку исследуемого битума. Составить характеристики кровельных
материалов, обосновать их свойства и назначение.
4 Определение водонепроницаемости рулонных кровельных материалов
Водонепроницаемость рулонных кровельных материалов определяют на трех
образцах размером 130х130 мм. Для испытания применяют прибор, изображенный на рисунке 48. Каждый образец в отдельности помещают между резиновыми
прокладками. Поднимают сосуд до тех пор, пока расстояние между верхним
уровнем воды в сосуде и нижней поверхностью образца, отмеченной на линейке,
станет равным по высоте водяного столба, предусмотренной стандартом на испытываемый материал. При этом на внешней поверхности образца не должно появиться признаков проникания воды.
Поверх образца для предохранения его от деформации надо укладывать металлическую сетку с крупными отверстиями.
Определять водонепроницаемость можно также по времени, через которое образец пропускает воду при постоянном гидростатическом давлении, и по гидростатическом давлению, выдерживаемому образцом в течение определенного
промежутка времени.
Водонепроницаемость пергамина можно определять и упрощенным методом.
Образец материала размером 300х300 мм осторожно сгибают, придавая ему форму коробки с площадью основания 100х100 мм и высотой 100 мм. Изготовленную коробку помещают на металлический или фанерный лист, сверху которого
наложена фильтровальная бумага, пропитанная раствором лакмуса или метилового красного.
189
Рисунок 48 – Прибор для определения водонепроницаемости
рулонных кровельных материалов:
1 – резиновые прокладки; 2 – образец; 3 – фланец; 4 – градуированная линейка;
5 – стеклянный сосуд; 6 – стеклянная трубка; 7 – резиновая пробка
В коробку на высоту 50 мм наливают воду, температура которой 20±2 оС, подкисленную соляной или серной кислотой, и выдерживают ее столько времени,
пока цвет индикаторной бумаги не начнет изменяться под действием воды, просочившейся через испытываемый материал. В процессе испытания поддерживают
постоянный уровень воды в коробке, доливая ее, если она испаряется.
Время в сутках от начала испытаний до изменения цвета индикаторной бумаги
считают характеристикой водонепроницаемости.
Контрольные вопросы
1 К какой группе строительных материалов относят нефтяные битумы?
1 К лакокрасочным материалам.
2 К органическим вяжущим.
3 К неорганическим вяжущим.
4 К строительным растворам.
2Укажите положительные свойства битума.
1 Невысокая температура размягчения.
190
2 Гидрофобность и водонепроницаемость.
3 Хрупкость при динамических нагрузках.
4 Малая адгезия к каменным материалам.
3Каковы основные группы углеводородов в составе нефтяных битумов?
1 Масла, смолы и асфальтены.
2 Бензин, лигроин и парафин.
3 Бензол, фенол и их производные.
4 Мицеллы и коллоидные частицы.
4 Что представляют собой битумы по структуре при нормальной температуре?
1 Жидкости с высокой вязкостью.
2 Стеклокристаллические тела, характеризующиеся температурным интервалом размягчения.
3 Кристаллические тела с низкой температурой плавления.
4 Коллоидные дисперсные системы.
5 Какие основные показатели лежат в основе классификации битумов по
маркам?
1 Пределы прочности при сжатии и растяжении.
2 Средняя плотность и прочность сцепления с поверхностью каменного образца.
3 Вязкость, растяжимость и температура размягчения.
4 Степень водостойкости и водонепроницаемости.
6 Укажите стандартные условия испытания образцов битума на пенетрометре
1 Температура, 25 C, время погружении иглы 5 с под действием груза массой
100 г.
2 Температура 20 C; время погружения иглы 10 с под действием груза массой
100 г.
3 Температура 25 C, время погружения иглы 30 с под действием груза массой
200 г
4 Температура 20 C, гремя погружения иглы 1 с под действием груза массой
50 г.
7 Какой критерий используют для характеристики растяжимости битума в
дуктилометре?
1 Время деформации в минутах до момента разрыва образца.
191
2 Величину деформации в сантиметрах, отмеченную в момент разрыва битумного образца.
3 Величину деформации в сантиметрах, снятую через 5 с после начала деформации образца.
4 Максимальное напряжение в МПа, отмеченное при испытании.
8 Что принимают за температуру размягчения битума при его испытании
на приборе "Кольцо и шар"?
1 Температуру, при которой шарик начинает выдавливать битум через кольцо.
2 Температуру, при которой шарик погрузится в кольцо, заполненное битумом.
3 Температуру, при которой шарик начинает выходить из кольца с битумом.
4 Температуру, при которой битум с шариком коснется нижней пластинки
прибора.
9 Как можно повысить термостойкость битума?
1 Ввести в битум тонкоизмельченный минеральный порошок.
2 Добавить в битум сырую нефть.
3 Ввести в состав битума органический растворитель.
4 Приготовить на основе битума эмульсии.
10 Чем отличается пергамин от рубероида?
1 Пергамин получают на основа дегтевых вяжущих, а рубероид – на основе
битумных.
2 Пергамин не имеет покрытия основы тугоплавкими битумами с обеих сторон.
3 Пергамин – гидроизоляционный материал, а рубероид – кровельный.
4 Пергамин – безосновный материала, а рубероид – основный.
192
Лабораторная работа № 18
ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Общие сведения
Металлы – вещества, обладающие металлическим блеском, пластичностью,
высокой прочностью, электро- и теплопроводностью, ковкостью и свариваемостью.
Атомы в твердых телах стремятся к такому расположению в пространстве,
чтобы энергия их взаимодействия была минимальной. Этому способствует определенный порядок в пространственном размещении частиц, определяемый понятием кристаллическая решетка. Важнейшей особенностью кристаллического состояния является упорядоченное расположение частиц вещества. Если вписать
кристаллическую решетку в систему координат, то по расстоянию между ближайшими частицами в кристалле и углам между осями координат можно рассчитать взаимное расположение частиц в твердом теле. Для изучения кристаллического строения можно выделить элемент объема из минимального количества частиц (атомов), многократным переносом (трансляцией) которого в пространстве
можно построить весь кристалл.
Такой элементарный объем, который характеризует особенности строения
данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой. (рисунок 49).
Рисунок 49 − Основные виды элементарных ячеек кристаллических решеток
металлов
а) объемно-центрированная кубическая кристаллическая ячейка;
б) гранецентрированная кубическая кристаллическая ячейка;
в) гексагональная кристаллическая ячейка
193
Наиболее распространенные кристаллические решетки:
− объемно центрированный куб (ОЦК);
− гранецентрированный куб (ГЦК);
− гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка (ГПУ) и неплотно упакованная кристаллическая решетка.
Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные
кристаллические решетки.
Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами (таблица 54):
− период решетки – расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки (а, в, с) – межплоскостное расстояние а, которое выражается в ангстремах (1Å = 10-8 см);
− атомный радиус – половина межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в решетке при нормальной температуре и атмосферном давлении. Он не является постоянной величиной и зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются координационное число и тип химической связи
между атомами в кристалле;
− энергия кристаллической решетки – энергия, выделяющаяся при образовании кристаллов из ионов, атомов или других частиц, образующих кристалл, когда
исходное состояние этих частиц газообразное. От ее величины зависят температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость. Увеличение валентности атомов приводит к увеличению энергии решетки;
− координационное число К (плотность) – количество атомов, находящихся на
наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке;
− базис решетки – количество атомов, приходящихся на одну элементарную
ячейку решетки.
Таблица 54 – Характеристики кристаллической решетки
Тип кристаллической решетки
Кубическая простая
Объемно центрированный куб
Гранецентрированный куб
Гексагональная плотноупакованная
Обозначение
К
ОЦК
ГЦК
ГПУ
К
8
8
12
12
Базис
1
2
4
4
Плотность упаковки атомов в разных плоскостях и по разным направлениям в
кристалле разная. Поэтому и свойства кристаллического тела в разных направлениях разные – анизотропия.
Частицы вещества в кристаллической решетке удерживаются за счет электрических связей:
− ионная связь – кристаллы состоят из разноименно заряженных ионов (Na, Cl).
Такие кристаллы отличаются хрупкостью;
− ковалентная связь (атомные кристаллы) – обобществление валентных электронов соседних атомов (алмаз; карбиды Fe3C, SiC; нитриды). Свойства тел с та-
194
кой связью могут сильно различаться. Как правило, они имеют малую плотность,
обладают высокой хрупкостью, иногда высокой твердостью;
− полярная связь (молекулярные кристаллы). Такой связью обладают водород,
азот, углекислота, вода в твердом закристаллизованном состоянии;
− металлическая связь. Кристаллы с такой связью имеют высокую прочность,
металлический блеск, высокие показатели электро- и теплопроводности.
Кристаллизация протекает в результате переохлаждения расплава, температура которого зависит от скорости охлаждения. Размер кристаллов также зависит от
степени переохлаждения расплава.
Для металлов характерна перекристаллизация в твердом состоянии − полиморфизм. Это явление имеет большое практическое значение: благодаря полиморфизму железа возможно широкое изменение свойств стали посредством термической обработки (закалки, отжига).
Условия кристаллизации влияют на правильность геометрических форм кристаллов. Реальные кристаллы не имеют правильного, идеального регулярного
расположения атомов в решетке. В них встречаются дефекты – различные несовершенства.
В зависимости от размеров, формы и пространственного расположения различают следующие дефекты.
Объемные дефекты, имеющие значительную протяженность во всех направлениях (усадочные; газовые раковины; трещины, образовавшиеся на различных
стадиях технологии слитков, отливок или при дальнейшей обработке).
Поверхностные дефекты – нарушение порядка расположения атомов в местах
стыка сросшихся при кристаллизации зерен. Нарушение порядка в пограничных
зонах зерен обычно усугубляется скоплением в этих участках различного рода
посторонних включений (шлак и др.). Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеальное строение кристаллической решетки. Установлено, что каждое
зерно состоит из отдельных элементов-блоков, размер которых колеблется в пределах 10-3…10-5 см. Отдельные блоки повернуты друг относительно друга на углы порядка нескольких минут. Более крупные образования из нескольких блоков
образуют субзерна (фрагменты) – повернуты на несколько градусов. К поверхностным дефектам относятся также и дефекты упаковки.
Точечные дефекты, когда отдельные узлы решетки могут быть не заняты атомами (вакансии), отдельные атомы могут оказаться в межузлиях (дислоцированный атом) или наблюдается появление атомов внедрения или замещения (примесные атомы).
Линейные дефекты (дислокации) – смещение рядов атомов по отношению к
их правильному расположению в кристаллической решетке. Разновидностями
линейных дислокаций (рисунок 50) являются краевые, винтовые (рисунок 51) и
смешанные дислокации.
195
Рисунок 50 − Линейная дислокация в кристаллической решетке
Рисунок 51 − Винтовая дислокация в кристаллической решетке
В чистом виде металлы не применяются в строительной технике. основными
недостатками чистых металлов является большая деформативность и пластичность. В соединениях с другими элементами металлы способны образовывать
сплавы.
Сплавы – металлические вещества с характерными свойствами металлов, получаемые при затвердевании жидких расплавов. Помимо сплавления сплавы
можно получить спеканием, электролизом и др.
В отличие от чистых металлов сплавы обладают более широким диапазоном
свойств, и именно они применяются в промышленности. Сплав образуется из соответствующих компонентов, в качестве которых могут применяться чистые
элементы и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов
могут образовываться следующие основные твердые фазы: твердые растворы,
химические соединения, механические смеси.
Процесс кристаллизации металла из расплава легко представить на диаграмме
состояния однокомпонентной системы, которая имеет одну критическую точку –
температуру кристаллизации.
196
При кристаллизации расплава наблюдается как минимум две критические
точки (температуры начала и окончания кристаллизации). Это можно рассмотреть на диаграмме состояния двухкомпонентной системы. Линии ликвидуса и солидуса.
Сплавы в зависимости от состава, условий образования могут быть в различных состояниях (твердые растворы, химические соединения, механические смеси).
Твердые растворы. Наиболее распространенная фаза в металлических сплавах. Особенность строения – наличие в их кристаллической решетке разнородных
атомов при сохранении типа кристаллической решетки растворителя. По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке
растворителя различают 2 типа твердых растворов: растворы замещения и растворы внедрения.
Химические соединения. Они образуются в результате химического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении. Например, в сплавах железа образуется карбид железа
(цементит) Fe3C. Как правило, это твердые, прочные, но хрупкие вещества. Наличие их в сплаве ведет к его упрочнению с одновременным понижением пластичности и ударной вязкости.
Химические соединения металлов делятся на две группы.
1 группа − соединения с нормальной валентностью, которые дают металлы с
типичными неметаллами (О, S, Cl). Такими соединениями являются оксиды,
сульфиды, хлориды. В сплавах такие соединения находятся в виде так называемых неметаллических включений.
2 группа – металлические соединения. Наиболее важные из них – фазы внедрения и электронные соединения. Отличаются разнообразием типов межатомных
связей (металлической, ковалентной, ионной) с преобладанием металлической
связи.
Механические смеси. Они образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллизации компонентов. Каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Структура сплава состоит из кристаллов
веществ А и В, связь между которыми осуществляется по границам зерен. Свойства сплавов − средние значения.
Железо – серебристо-белый металл. В технически чистом железе примесей
0,10…0,15 %. Свойства зависят от степени его чистоты. Для технически чистого
железа tпл = 1539 оС. Твердость невысокая НВ = 80. Железо обладает хорошей
пластичностью.
Сталь представляет собой сплав железа и углерода С с количеством углерода
до 2,14 %. Сталь обладает пластичностью и упругостью. В зависимости от содержания углерода различают стали следующих видов.
Углеродистая сталь. Содержит только нормальные примеси (Si, Mn, P, S, O):
− низкоуглеродистая сталь содержит углерода менее 0,3 %. Она обладает высокой пластичностью и идет на изделия, изготовляемые штамповкой;
197
− среднеуглеродистая сталь содержит углерода от 0,30 до 0,65 %. Кроме пластичности она обладает твердостью и прочностью. Из нее в основном изготовляют прокатные изделия;
− высокоуглеродистая (инструментальная) сталь содержит углерода от 0,65 до
1,50 %. Она обладает высокой твердостью, но является весьма хрупкой и идет на
изготовление инструментов.
Легированная сталь кроме нормальных примесей содержит и другие добавки
(Ni, Cr, W, V, Mo, Ni, Fl и др.). Количество добавок изменяется в больших пределах (2…10 %). К ним относятся и нержавеющие стали, которые содержат легированных добавок более 10 %.
Процесс получения стали связан с уменьшением количества углерода и примесей в чугуне путем окисления кислородом воздуха или кислородом, содержащимся в железной руде, до таких соединений, которые могут быть переведены в
шлак или удалены из чугуна в газообразном состоянии.
Окисление примесей происходит при участии закиси железа по схемам
2Fe + O2 = 2FeO.
C + FeO = CO + Fe.
Mn + FeO = MnO + Fe.
Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe.
2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe.
Наличие извести в шлаке способствует удалению серы:
FeS + CaO = CaS+FeO.
В конце процесса окисления сталь содержит большое количество закиси железа, которая вредна, так как повышается хрупкость. Чтобы избавиться от нее,
необходимо после окисления провести раскисление. Для этого применяют ферросплавы, а также алюминий.
Mn + FeO = MnO + Fe.
Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe.
2Al + 3FeO = Al2O3 + 3Fe.
Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.
В зависимости от полноты проведения процесса раскисления жидкого металла
различают:
− спокойную сталь, получающуюся при полном раскислении и застывании металла без выделения газа; такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение;
− кипящую сталь, получающуюся при неполном раскислении. В этом случае в
процессе застывания закись железа продолжает реагировать с углеродом металла,
выделяя оксид углерода в виде пузырьков. Этот процесс продолжается до выделения большей части газа; часть его еще остается в металле и при охлаждении
образует газовые пузыри. При этом образуются зоны ликвации, которые характерны неравномерным распределением вредных примесей, что приводит к сни-
198
жению качества стали. Достоинства кипящей стали – хорошая свариваемость,
улучшение процесса обработки и более низкая стоимость.
− полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной
и кипящей сталями.
Цель работы
Изучить основные свойства сталей и определить ее твердость.
Порядок выполнения работы
Для решения поставленной задачи каждое звено студентов изучает различные
типы сталей, определяет их пригодность в строительной технике и твердость различными способами.
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
1 Изучение свойств стали
Свойства стали изучаются по литературным источникам.
2 Определение твердости
Твердостью называется сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела. Основными методами определения твердости являются
методы внедрения в поверхность испытываемого металла стандартных наконечников (шарики, призмы, конусы) из твердых недеформирующихся материалов
под действием статических нагрузок. К ним относятся методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Наиболее простой метод и часто применяемый – метод Бринелля.
Значения твердости выражаются числами твердости в различных шкалах.
Кроме указанных методов измерения твердости массивных образцов, деталей и
полуфабрикатов, используются методы измерения микротвердости, т.е. измерение твердости отдельных составляющих микроструктуры сплавов.
При измерении твердости любым способом поверхность испытываемого образца или детали должна быть плоской, так как при измерении твердости цилиндрических образцов наконечник вдавливается глубже, чем при испытании плоских образцов той же твердости, поэтому твердость получается заниженной.
Поверхность образца или изделия должна быть горизонтальной и не иметь таких дефектов, как окалина, забоины, грязь, различные покрытия. Все поверхностные дефекты должны быть удалены мелкозернистым наждачным кругом,
напильником или наждачной бумагой. При обработке поверхности образца недопустимо изменение твердости вследствие нагрева или наклепа поверхности. При
199
нанесении отпечатка на испытуемое изделие или образец расстояние между соседними отпечатками и до края образца должно быть не менее 3 мм.
Для определения твердости по Бринеллю в качестве твердого тела, вдавливаемого в испытуемый материал, используют стальной шарик определенного диаметра D, который вдавливается в испытуемый материал с усилием Р (рисунок
52). После снятия нагрузки на поверхности материала остается шаровой отпечаток диаметром d.
Рисунок 52 − Схема вдавливания стального шарика при испытании твердости
стали по Бринеллю.
Показателем твердости является число твердости по Бринеллю, обозначаемое
НВ (Н – Hardness, англ. – твердость, В – начальная буква названия метода
Brinell).
Число твердости НВ представляет собой отношение усилия Р площади поверхности F получаемого отпечатка (шарового сегмента) НВ = Р/F.
Число твердости НВ определяют с помощью таблиц по значениям диаметра
отпечатка d, учитывая диаметр D вдавливаемого шарика и нагрузку Р. Значения
твердости НВ рассчитывают по формуле
_______
НВ = 2Р/[πD(D – √D2 – d2)] ,
(57)
где Р – нагрузка на шарик, Н; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.
Твердость по Бринеллю выражается в кгс/мм2 (значение твердости по Бринеллю обычно дают без указания размерности, например, НВ 350).
Если нагрузка Р выражена в ньютонах, то число твердости НВ выражается в
МПа, при этом размерность записывается так: НВ 3600 МПа.
Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью не более НВ
450. При более высокой твердости испытуемого материала вдавливаемый шарик
деформируется и результаты испытания искажаются.
Для упрощения вычисления следует пользоваться готовыми расчетными таблицами (таблица 55).
200
Испытания на твердость по Бринеллю проводят на твердомерах марки ТБ, в
которых нагрузка на наконечник со стальными шариками прилагается через систему рычагов, нагрузка подбирается комбинацией грузов (рисунок 53).
Таблица 55 – Твердость стали по Бринеллю в зависимости от диаметра отпечатка шарика
Рисунок 5 − Схема прибора для определения твердости по Бринеллю
1 – оправка в шариком; 2 – шпиндель; 3 – пружина; 4 – малый грузовой рычаг; 5 – серьга; 6
– большой грузовой рычаг; 7 – качающийся рычаг; 8 – опорный ролик; 9 – шток; 10 – подвеска
для грузов; 11 – грузы (гири); 12 – электродвигатель; 13 – кривошип; 14 – неподвижный упор
201
автоматического выключателя; 15 – подвижный упор автоматического выключателя; 16 – червячный редуктор; 17 – станина прибора; 18 – переключатель: 19 – пусковая кнопка; 20 – маховик с гайкой; 21 – подъемный винт; 22 – столик для плоских образцов; 23 – неподвижный упор.
Контрольные вопросы
1 Чем обусловлены характерные признаки металлов?
1 Аморфным строением.
2 Химическими связями и аморфным строением.
3 Химическими связями и кристаллическим строением.
4 Электронными межатомными связями и кристаллическим строением.
2 Входящие в состав сплава элементы или вещества находятся
1 В одной из двух видов связи.
2 В одной из трех видов связи.
3 В двух из трех видов связи.
4 В двух из четырех видов связи.
3 Черные металлы в зависимости от содержания в них углерода подразделяются на:
1 Стали, сплавы и чугуны.
2 Сплавы и чугуны.
3 Стали и чугуны.
4 Стали, чугуны и дюралюмины.
4 Что такое аллотропия?
1 Температура, при которой металл переходит из жидкого состояния в кристаллическое состояние.
2 Выделение или поглощение теплоты при переходе металла из жидкого состояния в кристаллическое состояние.
3 Способность одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.
4 Температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое
состояние.
5 Чему соответствуют все линии на диаграмме «железо-углерод»?
1 Содержанию углероду в сплаве.
2 Содержанию цементита в сплаве.
3 Критическим точкам.
4 Линиям перекристаллизации сплава.
6 Как изменится твердость и прочность сплавов с изменением количества в
них углерода?
1 С увеличением содержания углерода снижаются твердость и прочность.
2 С уменьшением содержания углерода повышаются твердость и прочность.
3 С увеличением содержания углерода увеличиваются твердость и прочность.
202
4 С уменьшением содержания углерода твердость и прочность не изменяются.
7 В результате какого процесса получают чугун в доменных печах?
1 Чугун получают в результате окисления железа из руд.
2 Чугун получают в результате восстановления железа из руд.
3 Чугун получают в результате нейтрализации железа из руд.
4 Чугун получают в результате расплавления стали.
8 В чем заключается процесс выплавки стали?
1 В уменьшении количества углерода и примесей в чугуне путем окисления их
кислородом воздуха.
2 В уменьшении количества углерода и примесей в чугуне путем их восстановления кислородом воздуха.
3 В переплавке железных руд.
4 В увеличении количества углерода в чугуне.
9 Какие из сталеплавильных агрегатов считаются наиболее совершенными?
1 Мартеновские печи.
2 Конвертерные печи.
3 Кислородно-конвертерные печи.
4 Электрические печи.
10 С какой целью производится отжиг стали?
1 С целью повышения твердости и снижения пластичности и вязкости.
2 С целью уменьшения твердости и повышения пластичности и вязкости.
3 С целью повышения свариваемости.
4 С целью повышения ковкости.
11 Полный отжиг – это:
1 Нагрев стали до температуры выше нижних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
2 Нагрев стали до температуры выше верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
3 Нагрев стали до температуры выше верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим очень быстрым охлаждением.
4 Нагрев стали до температуры ниже верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
12 Неполный отжиг – это:
1 Нагрев стали до температуры выше нижних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
2 Нагрев стали до температуры ниже верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
203
3 Нагрев стали до температуры выше верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
4 Нагрев стали до температуры выше верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим очень быстрым охлаждением.
13 Закалка – это:
1 Нагрев стали до температуры ниже верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
2 Нагрев стали до температуры выше нижних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
3 Нагрев стали до температуры выше верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением.
4 Нагрев стали до температуры выше верхних критических точек на 30…500С,
выдержке при этой температуре с последующим очень быстрым охлаждением.
14 В результате чего происходит переход упругой деформации в пластическую?
1 В результате перегрева стали.
2 В результате релаксации напряжений.
3 В результате наклепа.
4 В результате переохлаждения стали.
15Какая из сталей обладает меньшей чувствительностью к старению?
1 Низкоуглеродистая сталь.
2 Легированная сталь.
3 Углеродистая сталь.
4 Низколегированная сталь.
16 В каком из чугунов углерод находится в связанном состоянии?
1 В белом чугуне.
2 В сером чугуне.
3 В ковком чугуне.
4 В ферросплавах.
204
Лабораторная работа № 19
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
Общие сведения
В строительных конструкциях сталь подвергается различным видам механического воздействия: растяжению, сжатию, удару. Поэтому при расчете строительных конструкций необходимо знать механические характеристики стали, определяемые по результатам испытаний образцов стали на растяжение, твердость и
ударную вязкость.
Цель работы
Определить марку строительной стали по пределу прочности на растяжение до
разрыва, по пределу текучести и относительному удлинению.
Определить ударную вязкость строительной стали.
Сделать заключение о возможности использования испытываемой марки строительной стали для применения в строительстве.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов определяет механические характеристики строительной стали различных марок. По окончанию работы в результате обсуждения результатов испытания каждое звено делает свои выводы.
1 Определение марки строительной стали
Образцы стали испытывают на растяжение до разрыва. При этом определяют
основные механические характеристики: предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное удлинение, относительное удлинение после разрыва и др.
Для определения предела прочности при растяжение используют цилиндрические и плоские образцы, изготовленные путем соответствующей механической обработки. Образцы цилиндрической формы должны иметь стандартные размеры (рисунок 54, таблица 56).
Нормальными называют образцы, у которых диаметр d0 рабочей части равен 20
мм. длина рабочей части 1о в 10 или 5 раз больше диаметра dо .
Кроме нормальных применяют также пропорциональные образцы, диаметр dо
рабочей части которых может иметь произвольное значение, но длина рабочей части всегда должна быть пропорциональна диаметру dо (больше в 10 или 5 раз).
Форма головок образцов может быть различной в зависимости от типа захватов разрывной машины. Отклонение размеров образцов от стандартных не должны превышать значений, приведенных в таблице 57.
205
Рисунок 54 – Образцы для определения предела прочности при растяжении
Таблица 56 – Размер образцов стали для испытания на растяжение
Образец
Длина рабочей Площадь попереч- Диаметр рабочей
части 1о, мм
ного сечения ра- части круглого оббочей части Sо, мм2 разца dо, мм
нор200
314
20
Длинный
мальный
Короткий
нормальный
Длинный пропорциональный
Короткий пропорциональный
100
314
20
11,3
произвольная
произвольный
5,65
произвольная
произвольный
Таблица 57 – Допускаемые отклонения размеров образца стали
Диаметр
образцов,
мм
До 10
10 и более
Размеры рабочей части, мм
по диаметру по длине
± 0,1
± 0,2
± 0,1
± 0,2
Разность наибольшего и наименьшего диаметра по длине рабочей
части, мм
± 0,02
± 0,05
206
Для плоских образцов отклонения по ширине допускаются ± 0,5 мм, по длине
рабочей части ± 0,1 мм.
Смещение оси головки относительно оси рабочей части плоского образца не
допускаются. Переход от рабочей части образца к головкам, форма которых зависит от конструкции применяемых захватов, должен быть плавным.
Перед испытанием цилиндрические образцы тщательно измеряют при помощи
штангенциркуля или микрометра с точностью до 0,05 см следующим образом:
диаметр d0 измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех места?; по длине рабочей части; ширину и толщину плоских образцов измеряют в середине и по краям расчетной длины образца. Затем вычисляют площадь поперечного сечения образца So по наименьшим из полученных размеров с погрешностью 0,5 %.
Кроме того, на поверхности образца наносят керном риски и измеряют расстояние между ними (расчетную длину образца 1о) с погрешностью 0,1 мм. На
обеих головках каждого образца набивают клейма (номер образца). Сталь на растяжение испытывают на разрывных машинах различного типа. На рисунке 55 показан общий вид разрывной испытательной машины УММ-50.
Рисунок 55 – Общий вид разрывной испытательной машины УММ-50
207
Подлежащий испытанию образец помещают в захваты машины и центрируют
его. Для записи диаграммы растяжения на барабане автоматического самопишущего прибора закрепляют миллиметровую бумагу и устанавливают масштабы нагрузок и деформаций.
После установки стрелки шкалы силоизмерителя на нуль включают ее двигатель и испытывают образец на растяжение до полного разрушения. При этом
следят за нарастанием нагрузки по движению силоизмерителя и за деформацией
образца по диаграмме деформации. Нарастание нагрузки должно быть плавным.
Результаты испытания стального образца на растяжение получают в виде зависимости между нагрузкой и деформацией (рисунок 56).
Рисунок 56 – Диаграмма деформаций при растяжении образца
из малоуглеродистой стали
Прямой участок диаграммы растяжения (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение (деформация) образца возрастает пропорционально приложенной нагрузке Р. Если образец подвергнуть растяжению нагрузкой, равной
или меньшей РР; затем снять эту нагрузку, то образец примет первоначальную
длину, т.е. в нем будут отсутствовать остаточные деформации. Точка 1 на кривой
растяжения соответствует пределу пропорциональности, т.е. тому наибольшему
напряжению, при котором растяжение металла прямо пропорционально нагрузке.
Это напряжение σр (в МПа) вычисляют по формуле
208
σр = РР /Sо,
(58)
где σр – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, МПа; РР – приложенная
нагрузка, Н; Sо – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2.
При увеличении нагрузки свыше Рр испытываемый образец удлиняется быстрее,
чем возрастает нагрузка. Таким образом, пропорциональность нарушается. На
диаграмме это показано кривой 1-2, которая затем переходит в горизонтальную линию 2-3. Наличие горизонтального участка указывает на то, что образец самопроизвольно вытягивается (течет), хотя нагрузка остается постоянной.
Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называют пределом текучести. Различают предел текучести физический и предел текучести условный.
Предел текучести физический – наименьшее напряжение, при котором образец
деформируется без видимого увеличения нагрузки. При испытании образца стали
следят за показаниями стрелки силоизмерителя. Как только сталь достигнет предела
текучести, стрелка прибора останавливается, а затем вновь начинает двигаться. Значение нагрузки Ps в момент остановки фиксируют и принимают за нагрузку соответствующую пределу текучести, σs (физическому), который вычисляют по формуле:
σs = Ps / Sо,
(59)
где σs – предел текучести, МПа; Ps – нагрузка при пределе текучести, Н; Sо – первоначальная
площадь поперечного сечения образца, м2.
Предел текучести условный σ0,2 – напряжение, при котором образец получает
остаточное удлинение, составляющее 0,2 % первоначальной длины. Его определяют в тех случаях, когда при растяжении образца не обнаруживают резко выраженного явления текучести и предел текучести физический не может быть определен указанными выше способами.
Предел прочности при растяжении называют напряжение, которое соответствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Максимальная нагрузка может быть легко определена в процессе испытания
стального образца, так как на циферблатах испытательных машин имеется втора*
контрольная стрелка, которая увлекается рабочей стрелкой машины до крайнего
положения и фиксирует наибольшее отклонение рабочей стрелки.
На диаграмме (рисунок 56) точкой 4 зафиксирована максимальная нагрузка,
которую выдерживает образец. Начиная с этой точки, деформация концентрируется в каком-либо одном месте, которое начинает быстро растягиваться и уменьшать площадь поперечного сечения. При этом нагрузка падает до точки 5, где
происходит разрыв образца.
209
Предел прочности при растяжении σв, вычисляют по формуле
σв = Pв / Sо,
(60)
где σв – предел прочности, МПа; Ps – нагрузка при определении предела прочности, Н; Sо – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2.
Относительным удлинением называют отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине. Для определения относительного удлинения испытанного стального образца обе его части плотно прикладывают одну к другой и измеряют длину образца после разрыва 1] (рис.4).
Значение относительного удлинения, δ вычисляют по формуле
δ = [(l1 – lо)/lо] 100,
(61)
где δ – относительное удлинения после разрыва, %; l1 – длина образйца полсле разрыва,
мм; l2 – длина образца до испытания (начальная); мм.
Относительное удлинение после разрыва вычисляют как среднее арифметическое из результатов всех определений.
Результаты испытаний стали на растяжение заносят в журнал для лабораторных работ и по полученным результатам, а также по данным, приведенным в
таблицу 58, определяют марку исследуемой стали.
Таблица 58 – Механические свойства углеродистых сталей
Марка стали группы А
Предел текучести
МПа, не менее
СТ )
Ст 1 сп, пс
Ст 2 сп, пс
Ст 3 сп, пс
Ст 4 сп, пс
Ст 5Г сп
Ст 6 сп, пс
200-230
210-250
240-270
260-290
300-320
Предел прочности
при растяжении,
МПа
не менее 310
320-420
340-440
380-490
420-540
460-600
не менее 800
Относительное
удлинение после
разрыва, %
20-23
31-34
29-32
23-26
21-24
17-20
12-15
Примечание: Дополнительные индексы сп – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь; в
стали марки Ст5Г повышенное содержание марганца.
210
2 Определение ударной вязкости
Ударной вязкостью называют вязкость, которая равна отношению работы, затраченной на излом образца, к рабочему сечению образца в месте надреза.
Ударную вязкость определяют на маятниковом копре (рисунок 57). Маятниковый
копер состоит из станины 5 и маятника 3, закрепленного на оси 2, которая в свою
очередь закреплена на массивном основании 6. В верхней части станины имеется
шкала 4, градуировка которой дает возможность отсчитывать работы с точностью
не менее 0,5 % максимальной энергии копра. В нижней части станины копра
находится шаблон-кондуктор, при помощи которого образец 1 устанавливают
надрезом в середине пролета. Основные размеры образца, опор и ножа маятника
указаны на рисунке 58. Скорость ножа маятника в момент удара составляет 4…7
м/с., что соответствует подъему ударного ножа маятника на 0,8…2,5 м. Перед
проведением испытания маятник проверяют на свободном полете.
Рисунок 57 – Маятниковый копер
а – схема устройства; б – схема движения маятника
211
Образцы (рисунок 58), применяемые для испытания, имеют форму бруска
квадратного сечения с надрезом посередине.
Рисунок 58 – Вид образцов для определения ударной вязкости
Испытываемый образец укладывают плотно на опоры копра так, чтобы надрез
был расположен симметрично опорам и противоположно наносимому удару.
По углу отклонения маятника после удара или по шкале определяют работу Ан,
затраченную на разрушение образца, по формуле
Ан = рl (cos β – cos α),
(62)
где Ан -– работа, затраченная на разрушение образца, Дж; р – масса маятника, Н; l – длина маятника – расстояние от оси до центра тяжести, м; α и β – углы подъема маятника соответственно до и
после излома образца, град.
Ударную вязкость αн, вычисляют по формуле
αн = Aн/S,
(63)
где αн – ударная вязкость, Дж/м2; S – площадь поперечног7оь сечения образца в месте
надреза до испытания, м2.
212
213
Лабораторная работа № 20
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
Общие сведения
В строительных конструкциях сталь подвергается различным видам механического воздействия: растяжению, сжатию, удару. Поэтому при расчете строительных конструкций необходимо знать механические характеристики стали, определяемые по результатам испытаний образцов стали на растяжение, твердость и
ударную вязкость.
Цель работы
Определить марку строительной стали по пределу прочности на растяжение до
разрыва, по пределу текучести и относительному удлинению.
Определить ударную вязкость строительной стали.
214
Сделать заключение о возможности использования испытываемой марки строительной стали для применения в строительстве.
Порядок выполнения работы
Каждое звено студентов определяет механические характеристики строительной стали различных марок. По окончанию работы в результате обсуждения результатов испытания каждое звено делает свои выводы.
1. Определение марки строительной стали
Образцы стали испытывают на растяжение до разрыва. При этом определяют
основные механические характеристики: предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности при растяжении, относительное удлинение, относительное удлинение после разрыва и др.
Для определения предела прочности при растяжении используют цилиндрические и плоские образцы, изготовленные путем соответствующей механической обработки. Образцы цилиндрической формы должны иметь стандартные размеры (рис. 49, табл. 51).
Нормальными называют образцы, у которых диаметр d0 рабочей части равен 20
мм. длина рабочей части 1о в 10 или 5 раз больше диаметра dо .
Кроме нормальных применяют также пропорциональные образцы, диаметр dо
рабочей части которых может иметь произвольное значение, но длина рабочей части всегда должна быть пропорциональна диаметру dо (больше в 10 или 5 раз).
Рис. 49. Образцы для определения предела прочности при растяжении
215
Таблица 51
Размер образцов стали для испытания на растяжение
Образец
Длинный
нормальный
Короткий
нормальный
Длинный
пропорциональный
Короткий
пропорциональный
Длина рабочей
части 1о, мм
200
Площадь поперечного
сечения Sо, мм2
314
Диаметр рабочей
части dо, мм
20
100
314
20
11,3
произвольная
произвольный
5,65
произвольная
произвольный
Форма головок образцов может быть различной в зависимости от типа захватов разрывной машины. Отклонение размеров образцов от стандартных не должны превышать значений, приведенных в табл. 52.
Для плоских образцов отклонения по ширине допускаются ± 0,5 мм, по длине
рабочей части ± 0,1 мм.
Смещение оси головки относительно оси рабочей части плоского образца не
допускаются. Переход от рабочей части образца к головкам, форма которых зависит от конструкции применяемых захватов, должен быть плавным.
Таблица 52
Допускаемые отклонения размеров образца стали
Диаметр
образцов, мм
До 10
10 и более
Размеры рабочей части, мм
по диаметру
по длине
± 0,1
± 0,1
± 0,2
± 0,2
Разность наибольшего и наименьшего
диаметра по длине рабочей части, мм
± 0,02
± 0,05
Перед испытанием цилиндрические образцы тщательно измеряют при помощи
штангенциркуля или микрометра с точностью до 0,05 см следующим образом:
диаметр d0 измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях в трех места?; по длине рабочей части; ширину и толщину плоских образцов измеряют в середине и по краям расчетной длины образца. Затем вычисляют площадь поперечного сечения образца So по наименьшим из полученных размеров с погрешностью 0,5 %.
Кроме того, на поверхности образца наносят керном риски и измеряют расстояние между ними (расчетную длину образца 1о) с погрешностью 0,1 мм. На
обеих головках каждого образца набивают клейма (номер образца). Сталь на рас-
216
тяжение испытывают на разрывных машинах различного типа. На рис. 50 показан
общий вид разрывной испытательной машины.
Рис. 50. Общий вид разрывной испытательной машины
Подлежащий испытанию образец помещают в захваты машины и центрируют
его. Для записи диаграммы растяжения на барабане автоматического самопишущего прибора закрепляют миллиметровую бумагу и устанавливают масштабы нагрузок и деформаций.
После установки стрелки шкалы силоизмерителя на нуль включают ее двигатель и испытывают образец на растяжение до полного разрушения. При этом
следят за нарастанием нагрузки по движению силоизмерителя и за деформацией
образца по диаграмме деформации. Нарастание нагрузки должно быть плавным.
Результаты испытания стального образца на растяжение получают в виде зависимости между нагрузкой и деформацией (рис. 51).
217
Рис. 51. Диаграмма деформаций при растяжении образца из малоуглеродистой
стали
Прямой участок диаграммы растяжения (от начала координат до точки 1) показывает, что удлинение (деформация) образца возрастает пропорционально приложенной нагрузке Р. Если образец подвергнуть растяжению нагрузкой, равной или
меньшей РР; затем снять эту нагрузку, то образец примет первоначальную длину,
т.е. в нем будут отсутствовать остаточные деформации. Точка 1 на кривой растяжения соответствует пределу пропорциональности, т.е. тому наибольшему напряжению, при котором растяжение металла прямо пропорционально нагрузке. Это
напряжение σр (в МПа) вычисляют по формуле
σр = РР /Sо,
(52)
где σр – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, МПа; РР – приложенная
нагрузка, Н; Sо – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2.
При увеличении нагрузки свыше Рр испытываемый образец удлиняется быстрее,
чем возрастает нагрузка. Таким образом, пропорциональность нарушается. На
диаграмме это показано кривой 1-2, которая затем переходит в горизонтальную линию 2-3. Наличие горизонтального участка указывает на то, что образец самопроизвольно вытягивается (течет), хотя нагрузка остается постоянной.
Напряжение, при котором появляется текучесть стали, называют пределом текучести. Различают предел текучести физический и предел текучести условный.
Предел текучести физический – наименьшее напряжение, при котором образец
деформируется без видимого увеличения нагрузки. При испытании образца стали
следят за показаниями стрелки силоизмерителя. Как только сталь достигнет предела
текучести, стрелка прибора останавливается, а затем вновь начинает двигаться. Зна-
218
чение нагрузки Ps в момент остановки фиксируют и принимают за нагрузку соответствующую пределу текучести, σs (физическому), который вычисляют по формуле:
σs= Ps / Sо,
(53)
где σs – предел текучести, МПа; Ps – нагрузка при пределе текучести, Н; Sо – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2.
Предел текучести условный σ0,2 – напряжение, при котором образец получает
остаточное удлинение, составляющее 0,2 % первоначальной длины. Его определяют в тех случаях, когда при растяжении образца не обнаруживают резко выраженного явления текучести и предел текучести физический не может быть определен указанными выше способами.
Предел прочности при растяжении называют напряжение, которое соответствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Максимальная нагрузка может быть легко определена в процессе испытания
стального образца, так как на циферблатах испытательных машин имеется втора*
контрольная стрелка, которая увлекается рабочей стрелкой машины до крайнего
положения и фиксирует наибольшее отклонение рабочей стрелки.
На диаграмме (рис. 51) точкой 4 зафиксирована максимальная нагрузка, которую выдерживает образец. Начиная с этой точки, деформация концентрируется в
каком-либо одном месте, которое начинает быстро растягиваться и уменьшать
площадь поперечного сечения. При этом нагрузка падает до точки 5, где происходит разрыв образца.
Предел прочности при растяжении σв, вычисляют по формуле
σв = Pв / Sо,
(54)
где σв – предел прочности, МПа; Ps – нагрузка при определении предела прочности, Н; Sо – первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2.
Относительным удлинением называют отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной длине. Для определения относительного удлинения испытанного стального образца обе его части плотно прикладывают одну к другой и измеряют длину образца после разрыва 1 (рис.4).
Значение относительного удлинения, δ вычисляют по формуле
δ = [(l1 – lо)/lо] 100,
(55)
где δ – относительное удлинения после разрыва, %; l1 – длина образца после разрыва, мм; l2 –
длина образца до испытания (начальная); мм.
219
Относительное удлинение после разрыва вычисляют как среднее арифметическое из результатов всех определений.
Таблица 53
Механические свойства углеродистых сталей
Марка стали
Предел текучести Предел прочности
Относительное удлинение
группы А
МПа, не менее
при растяжении, МПа после разрыва, %
СТ )
−
не менее 310
20…23
Ст 1 сп, пс
−
320…420
31…34
Ст 2 сп, пс
200-230
340…440
29…32
Ст 3 сп, пс
210-250
380…490
23…26
Ст 4 сп, пс
240-270
420…540
21…24
Ст 5Г сп
260-290
460…600
17…20
Ст 6 сп, пс
300-320
не менее 800
12…15
Примечание: Дополнительные индексы сп – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь; в стали
марки Ст5Г повышенное содержание марганца.
220
Лабораторная работа № 20
ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Общие сведения
Лакокрасочными материалами называют природные, искусственные или синтетические составы, наносимые в вязко-жидком состоянии тонким слоем на отделываемые поверхности и образующие плотные, твердые пленки, прочно сцепляющиеся с этими поверхностями.
Лакокрасочные составы представляют собой, как правило, сложные многокомпонентные дисперсные системы, в состав которых входят связующие вещества,
пигменты, наполнители, а также различные добавки, регулирующие их свойства.
Связующие вещества
Связующие вещества создают основу состава, способны отвердевать и образовывать стойкую пленку.
Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях
или воде. Используют для получения прозрачных покрытий, когда нужно защитить и одновременно сохранить структуру поверхности. Часто наносят непосредственно на подготовленную поверхность, а также в качестве последнего слоя в
системе многослойного покрытия для придания хорошего внешнего вида или повышения эксплуатационных свойств. Применяют также для получения эмалей.
Олифы – пленкообразователи, получаемые на основе растительных масел,
прошедших специальную обработку (окисление или длительный прогрев при высоких температурах), с добавлением сиккативов и растворителей.
Природные смолы. Сосновая канифоль – хрупкая стекловидная смола, состоящая из смоляных кислот. Из смолы хвойных пород (живицы) после выделения
из нее скипидара.
Растительные смолы – декстрин, мучная пыль.
Синтетические смолы (полимеры).
Минеральные вяжущие вещества (цемент, известь, жидкое стекло).
Органические вяжущие вещества. Животные (костный, мездровый, рыбный,
казеиновый, растительный на основе крахмала).
Синтетические клеи. К ним относятся натрий-карбоксиметилцеллюлоза, водорастворимая метилцеллюлоза, дисперсия поливинилацетатная гомополимерная
грубодисперсная ПВАД, клей АМД-К, эпоксидный, бустилат, клей К-17 (МФ-17)
и др.
Красящие вещества
К ним относятся пигменты и красители. Они придают пленке нужный цвет и
вместе с наполнителями улучшают ее физико-технические свойства: уменьшают
221
усадочные деформации, повышают прочность, непроницаемость и стойкость
пленки.
Красители органические – цветные химические соединения, которые при взаимодействии с разнообразными материалами имеют свойства на них закрепляться
и окрашивать их. Они способны переходить в раствор в соответствующих растворителях.
Пигменты – химические соединения, нерастворимые или малорастворимые в
воде и органических растворителях. При растирании с пленкообразующими веществами образуют суспензии (красочные составы). Сухие краски – составы без
пленкообразователя.
Наполнители
Это нерастворимые минеральные вещества, чаще белые. Их применяют для
экономии пигмента и придания специальных свойств (прочности, стойкости). Повышают адгезию, ускоряют высыхание, блеск, матовость. В качестве наполнителей используют каолин, тальк, пылевидный кварц, андезит, диабаз, асбест.
Растворители (разжижители)
Применяют для придания малярной (рабочей) консистенции. Они не вступают
в химическое взаимодействие. Это уайт-спирит – лаковый бензин, скипидар, дихлорэтан, вода, сольвент.
Лакокрасочные композиции, будучи равномерно нанесены на поверхность, в
результате сложных физических и химических превращений, формируются в
сплошное покрытие с определенным комплексом свойств (защитных, декоративных, специальных).
Общим является изоляция поверхности от внешних воздействий, придание
определенных вида, цвета и фактуры. Свойства достигаются за счет твердой покровной пленки органических или неорганических веществ.
Лакокрасочная промышленность выпускает лакокрасочные материалы в основном готовые к употреблению.
Цель работы
Определить укрывистость, адгезию, условную вязкость, массовую долю летучих и нелетучих веществ, время высыхания и степень эластичности пленки лакокрасочных материалов. Сделать заключение о качестве рассматриваемых материалов и возможности их использования.
Порядок выполнения работы.
Каждое звено студентов определяет свойства различных лакокрасочных материалов и делает выводы об их качестве (таблица 60).
222
Выдаются рекомендации о применении испытуемых материалов.
Таблица 60 – Характеристики эмалей
Наименование
показателя
Цвет покрытия
НЦ
БТ
КФ,
ПФ
ГФ
ЭП
КО
МА
Должен находиться в пределах допускаемых отклонений,
установленных утвержденными контрольными образцами.
Внешний вид по- После высыхания эмаль должна образовывать однородную,
крытия
без кратеров, пор и морщин поверхность; допускается незначительная шагрень
Массовая доля не- 14, 5
45
65
44
45
23
30
летучих веществ,
%, не менее
Условная вязкость, 17–150 40–80 20–140 20–150 25–150 13–150 14–100
по вискозиметру с
диаметром сопла 4
мм, с
Укрывистость,
150
30
240
240
140
120
120
2
г/м , не более
Методы испытаний
1 Метод определения времени и степени высыхания.
Степень высыхания характеризует состояние поверхности лакокрасочного материала, нанесенного на пластину, при определенных времени и температуре
сушки.
Время высыхания – промежуток времени, в течение которого достигается
определенная степень высыхания при заданной толщине лакокрасочного слоя и
при определенных условиях сушки.
В испытаниях используют пластинки из стекла размером 9х12 см. Пластинки
со слоем лакокрасочного материала естественной сушки выдерживают помещении, защищенном от пыли, сквозняка и прямого попадания солнечных лучей, при
(20 ± 2) ºС и относительной влажности воздуха (65 ± 5) %, в течение времени,
указанного в нормативно-технической документации на испытуемый лакокрасочный материал, а затем проводят испытание. Определение производят на трех образцах на расстоянии не менее 20 мм от края образца после сушки нанесенного
слоя.
Определение времени высыхания до степени 1
Испытание начинают после исчезновения липкости лакокрасочной пленки, которую устанавливают легким прикосновением пальцев к поверхности пленки. За-
223
тем с высоты 30…50 мм на горизонтально расположенную поверхность лакокрасочной пленки насыпают около 0,5 г чистых сухих стеклянных шариков фракцией 100…355 мкм. Шарики насыпают на площадь диаметром 18…22 мм так, чтобы
они лежали в один слой. Через (60 ± 2) с пластинку наклоняют под углом примерно 20 градусов относительно горизонтали, стеклянные шарики легко сметают
мягкой кистью. Степень высыхания 1 достигнута, если все шарики удаляются, не
вызывая повреждения поверхностного слоя. Фиксируют время, соответствующее
достижение степени высыхания 1.
Определение времени высыхания до степени 2
При испытании на окрашенную пластинку помещают листок бумаги. На листок бумаги накладывают резиновую пластинку диаметром 22 мм, толщиной 4…6
мм, на середину которой устанавливают гирю массой 20 г; через (60 ± 2) с снимают гирю и резиновую пластинку, а окрашенную пластинку с листом бумаги
ребром свободно бросают с высоты 28…32 мм на деревянную поверхность. Если
при этом листок бумаги не прилипает к пленке, то степень высыхания 2 достигнута.
Определение времени высыхания до степени 3
При испытании на окрашенную пластинку помещают листок бумаги. На листок бумаги накладывают резиновую пластинку, на середину которой устанавливают гирю массой 200 г; через (60 ± 2) с снимают гирю и резиновую пластинку, а
через 30 с окрашенную пластинку с листом бумаги ребром свободно бросают с
высоты 28…32 мм на деревянную поверхность. Если при этом листок бумаги не
прилипает к пленке, то степень высыхания 3 достигнута.
2 Определение массовой доли летучих и нелетучих веществ
Сущность метода заключается в нагревании пробы лакокрасочного материала
при определенной температуре в течение заданного промежутка времени или до
достижения постоянной массы и определения массовой доли летучих и нелетучих
веществ по разности результатов взвешивания до и после нагревания.
В жестяную чашку с плоским дном отбирают пробу массой (2,0 ± 0,2) г. Чашку
помещают в сушильный шкаф , где она находится в течении 3 ч при температуре
(105 ± 2) °С. Массовую долю летучих (Х) и нелетучих (Х1) веществ в процентах
вычисляют по формулам
Х = (m1 – m2)/ m1·100
и
Х1 = m2 / m1·100,
(65)
(66)
где m1 – масса испытуемого материала до нагрева (исходная), г; m2 – масса испытуемого материала после нагрева (с высушенной эмалью), г.
224
За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов проведенных параллельных определений, расхождение между которыми не должно
превышать 1 %.
3 Определение условной вязкости лакокрасочных материалов
За условную вязкость лакокрасочных материалов, обладающих свободной текучестью, принимают время непрерывного истечения в секундах определенного
объема испытуемого материала через калиброванное сопло вискозиметра типа
В3-246 (рисунок 58).
За условную вязкость лакокрасочных материалов густой консистенции, определяемую шариковым вискозиметром, принимают время прохождения в секундах
стального шарика между двумя метками вертикально установленной стеклянной
трубки вискозиметра, наполненной испытуемым материалом.
Пробу испытуемого материала, перед определением условной вязкости тщательно перемешивают, избегая образования в ней пузырьков воздуха. Испытуемый лакокрасочный материал должен быть однородным. Испытание проводят
при температуре воздуха (20±2) ºС. Вискозиметр и испытуемый материал непосредственно перед испытанием должны иметь температуру(20±0,5) ºС. Вискозиметр и особенно сопло тщательно очищают растворителем.
3.1 Определение условной вязкости по вискозиметру типа В3-246
Вискозиметр типа В3-246 с диаметром сопла 2, 4 и 6 мм и вместимостью не
менее (100 ± 1) см³. Размер диаметра сопла указывают в нормативно-технической
документации на лакокрасочный материал.
225
Рисунок 58 − Схема вискозиметра типа В3-246
* Рекомендуемые размеры
** Конструкция нижней части может предусматривать взаимозаменяемые сопла.
Вискозиметр помещают в штатив. Под сопло вискозиметра ставят сосуд. Отверстие сопла закрывают пальцем, испытуемый материал наливают в вискозиметр с избытком, чтобы образовался выпуклый мениск над верхним краем вискозиметра. Наполняют вискозиметр медленно, чтобы предотвратить образование
пузырьков воздуха. Избыток материала и образовавшиеся пузырьки воздуха удаляют при помощи стеклянной пластинки или алюминиевого диска, сдвигаемых по
верхнему краю воронки в горизонтальном направлении таким образом, чтобы не
образовалось воздушной прослойки. Открывают отверстие сопла и одновременно
с появлением испытуемого материала из сопла включают секундомер. В момент
первого прерывания струи испытуемого материала секундомер останавливают и
отсчитывают время истечения.
За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов не
менее трех измерений времени истечения в секундах. Допускаемые отклонения
отдельных определений времени истечения от среднеарифметического значения
при проведении испытания одним исполнителем не должны превышать ± 3 %,
при проведении испытания разными исполнителями ± 5 %.
3.2 Определение условной вязкости по шариковому вискозиметру
Определение условной вязкости по шариковому вискозиметру непрозрачных
лакокрасочных материалов.
Вискозиметр шариковый (рисунок 59) представляет собой стеклянную трубку
3, нижний конец которой закрыт пробкой 1, в комплекте со стальным шариком 4
диаметром 7,938 мм. Стеклянная трубка длиной 350 мм и диаметром 20 мм с
нанесенными на ней метками 2 и 5, расстояние между которыми 250 мм, вертикально укреплена в штативе 6.
226
Рисунок 59 − Схема шарикового вискозиметра
1 – пробка; 2 – нижняя метка; 3 – трубка; 4 – шарик; 5 – верхняя метка; 6 – штатив
В вертикально установленную стеклянную трубку до нижней метки наливают
глицерин, а затем трубку вискозиметра заполняют испытуемым материалом до
верхней метки. В случае образования пузырьков воздуха их удаляют стеклянной
палочкой после поднятия на поверхность. Затем свободно опускают стальной шарик диаметром 7,938 мм в центр трубки и в момент достижения нижним краем
шарика верхней метки включают секундомер. Когда шарик достигнет нижним
краем нижней метки трубки, секундомер останавливают и отсчитывают время
прохождения шарика в секундах между двумя метками трубки вискозиметра с
погрешностью не более 0,2 с.
За величину условной вязкости, определенной по шариковому вискозиметру,
принимают среднее арифметическое значение трех параллельных определений
времени прохождения стального шарика между двумя метками вискозиметра.
Допускаемые отклонения отдельных определений от среднего значения не должны превышать ± 2,5 %.
4 Определение адгезии методом решетчатых надрезов
Сущность метода заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке состояния покрытия по четырехбалльной системе.
Для проведения испытания готовят две пластины из листовой стали марки 08
кп размером не менее 60х150 мм и толщиной (0,9 ± 0,1) мм. На подготовленные
пластины наносят лакокрасочный материал и после сушки определяют толщину
покрытия не менее, чем на трех участках поверхности испытуемого образца, при
этом различие в толщине покрытия по длине образца не должно превышать 10 %.
Перед проведением испытания бритвенное лезвие заменяют на новое.
227
Испытания проводят на двух образцах и не менее, чем на трех участках поверхности каждого образца. На каждом испытуемом участке поверхности образца
на расстоянии от края не менее 10 мм делают режущим инструментом по металлической линейке не менее шести параллельных надрезов до металла длиной не
менее 20 мм на расстоянии 1, 2 или 3 мм друг от друга. Скорость резания должна
составлять 20…40 мм/с. Аналогичным образом делают надрезы в перпендикулярном направлении. В результате на покрытии образуется решетка из квадратов
одинакового размера.
Расстояние между соседними решетками должно быть не менее 20 мм.
Размер единичного квадрата решетки должен быть указан в нормативнотехнической документации на испытуемый лакокрасочный материал. При отсутствии таких указаний на покрытия толщиной менее 60 мкм наносят решетку с
единичным квадратом размером 1х1 мм, на покрытия толщиной от 60 до 120 мкм
− 2х2 мм, на покрытия толщиной от 120 до 200 мкм − 3х3 мм.
Контроль прорезания покрытия до металла осуществляется при помощи лупы.
После нанесения надрезов для удаления отслоившихся кусочков покрытия
проводят мягкой кистью по поверхности решетки в диагональном направлении по
пять раз в прямом и обратном направлении.
Адгезию оценивают в соответствии с таблицей 61, используя при необходимости лупу.
За результат испытания принимают значение адгезии в баллах, соответствующее большинству совпадающих значений, определенных на всех испытуемых
участках поверхности двух образцов; при этом расхождение между значениями
не должно превышать 1 балл.
При расхождении значений адгезии, превышающем 1 балл, испытание повторяют на том же количестве образцов и принимают среднее округленное значение,
полученное по четырем образцам, за окончательный результат.
При равной повторяемости двух значений адгезию оценивают по большему
значению.
Таблица 35 − Правила определения адгезии
Балл Описание поверхности лакокрасочного покрытия
Внешний
после нанесения надрезов в виде решетки
вид покрытия
1
Края надрезов полностью гладкие, нет признаков
отслаивания ни в одном квадрате решетки
2
Незначительное отслаивание покрытия в виде
мелких чешуек в местах пересечения линий решетки. Нарушение наблюдается не более, чем на
5 % поверхности решетки
3
Частичное или полное отслаивание покрытия
вдоль линий надрезов решетки или в местах их
пересечения. Нарушение наблюдается не менее,
228
4
чем на 5 % и не более, чем на 35 % поверхности
решетки
Полное отслаивание покрытия или частичное,
превышающее 35 % поверхности решетки
5 Определение укрывистости
За укрывистость принимают способность лакокрасочного материала при равномерном нанесении на одноцветную поверхность делать невидимым цвет последней или при нанесении на черно-белую подложку уменьшать контрастность
между черной и белой поверхностями до исчезновения разницы между ними.
В данной работе используют визуальный метод определения укрывистости с
применением черно-белой шахматной доски. Сущность метода заключается в
нанесении слоев лакокрасочного материала на стеклянную пластинку до прекращения просвечивания черных и белых квадратов шахматной доски, подложенной
под стеклянную пластинку. Применяют пластинки стеклянные размером 90х120
мм, толщиной 1,2…1,8 мм. Доска шахматная представляет собой кусок белой
чертежной бумаги размером 90х120 мм расчерченной на 12 квадратов размером
30х30 мм (рисунок 60). Квадраты в шахматном порядке закрашены черной тушью. После высыхания лист бумаги наклеен на стеклянную пластину размером
90х120 мм.
Рисунок 60 − Доска для определения укрывистости
Для определения укрывистости лакокрасочный материал разбавляют до рабочей вязкости.
На стеклянную пластинку взвешенную с погрешностью до 0,0002 г, наносят
один или два слоя лакокрасочного материала. Под стеклянную пластинку с нане-
229
сенными слоями лакокрасочного материала подкладывают шахматную доску и
при рассеянном дневном свете наблюдают, просвечивают ли черные и белые
квадраты шахматной доски. Если квадраты просвечивают, то наносят следующие
слои до тех пор, пока разница между черными и белыми квадратами подложенной шахматной доски окончательно не исчезнет. После полного укрытия окрашенную стеклянную пластинку взвешивают с точностью до четвертого десятичного знака. Перед взвешиванием и высушиванием необходимо удалять подтеки
лакокрасочного материала с обратной стороны и с ребер пластинки. Испытания
проводят не менее чем на трех пластинках.
Укрывистость высушенной пленки (D) в г/м² вычисляют по формуле
D= (m1 – m 0)·106/S,
(67)
где m0 – масса неокрашенной стеклянной пластинки, г; m1 – масса пластинки с высушенной
пленкой, г; S – площадь стеклянной пластинки, мм2.
За результат испытания принимают среднее арифметическое трех параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 5 % от среднего арифметического значения.
6 Определение эластичности пленки при изгибе
Метод заключается в определении минимального диаметра металлического
цилиндрического стержня, изгибание на котором окрашенной металлической
пластинки не вызывает механического разрушения или отслаивания однослойной
или многослойной лакокрасочной пленки.
Устройство для определения эластичности лакокрасочной пленки при изгибе
представляет собой панель на которой расположены 12 стальных хромированных
стержней с диаметрами, соответственно, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 , 15, 16 и 20 мм
(рисунок 61). Образцы для испытания представляют собой пластинки прямоугольной формы длиной 100–150 мм и шириной 20–50 мм, изготовленные из черной полированной жести или алюминиевых листов толщиной 0,25–0,30 мм с
нанесенной на них лакокрасочной пленкой.
230
Рисунок 61 − Устройство для определения эластичности пленки
1…12 – стержни; 13 – панель; 14 – струбцина
Испытания проводят при температуре 20 ± 2 ºС и относительной влажности
воздуха 65 ± 5 %.
Пластинку накладывают на стержень наибольшего диаметра (20 мм) покрытием наружу и, плотно прижимая ее к стержню, плавно изгибают в течение 1…2 с
на 180 º вокруг стержня, покрытие в месте изгиба рассматривают в лупу на наличие трещин и отслаивания. Если эти дефекты отсутствуют, то производят изгибание пластинки каждый раз в другом месте последовательно от стержня большего
диаметра к меньшему до тех пор, пока не будут обнаружены указанные выше дефекты.
За результат испытания принимают минимальный диаметр стержня в мм, при
изгибании образца на котором испытуемая пленка осталась неповрежденной.
Оценку эластичности пленки при изгибе на металлическом стержне производят
после испытания трех пластинок на родном и том же стержне. Результат испытания должен совпадать не менее, чем на двух испытуемых пластинок, если совпадение не достигнуто, испытание повторяют на шести образцах.
При оценке результатов не принимают во внимание состояние поверхности на
расстоянии до 5 мм от края пластинки.
7 Определение прочности лакокрасочного состава при ударе
Метод определения прочности пленки лакокрасочного состава при ударе основан на установлении максимальной высоты, при падении с которой груз массой
10 Н не вызывает разрушения пленки.
Прочность пленки при ударе определяют на приборе У-1А (рисунок 62). Прибор состоит из станины 1, наковальни 2, двух стоек 3, скрепленных траверсой 4,
231
бойка с шариком 10, конуса 5, направляющей трубы 6 со свободно падающим
грузом и приспособлением для удержания и сбрасывания груза 8, указательной
стрелки 7. В верхней части трубы имеется колпак 9.
На поверхности направляющей трубы имеется шкала длиной 50 см с делением
через 1 см, а внутри трубы свободно перемещается груз массой 10 Н . Этот груз
может быть закреплен на любой высоте с помощью специального приспособления. В траверсе под центром наковальни имеется отверстие, в котором свободно
перемещается боек с наконечником в виде шарика диаметром 8 мм.
Подвергаемый испытанию лакокрасочный материал наносят на металлическую пластинку размером 90х20х0,8 мм. После высыхания пленки пластинку помещают на наковальню пленкой вверх. Закрепляющие винты удерживающего
приспособления устанавливают на заданную высоту. Затем нажимом спусковой
кнопки освобождают груз, который передает ударное усилие через боек на пластинку с нанесенной на ней лакокрасочной пленкой. После удара пластинку вынимают и тщательно осматривают место после удара через лупу с 4-х кратным
увеличением. Если после удара на пластинке не обнаружится разрушений (трещин, смятин и отслоения) пленки, то высоту падения груза увеличивают на 2…10
см. Испытание ведут до разрушения пленки или до тех пор, пока высота падения
груза не достигнет 50 см.
Прочность пленки при ударе выражают максимальной высотой, с которой падает груз массой 10 Н, не вызывая разрушений пленки, ил работой удара.
Определяют прочность дважды, принимая в качестве окончательного результата среднее арифметическое результатов двух испытаний при условии, что расхождение между ними не превышает ±10 мм.
232
Рисунок 62 – Прибор У-lA для определения прочности пленки при ударе
1 – станина; 2 – наковальня; 3 – стойка; 4 – траверса; 5 – конус; 6 – направляющая труба;
7 – указательная стрелка; 8 – стопор; 9 – стопорный винт; 10 – боек
Выводы по работе
Проанализировать результаты, полученные в данной работе. Дать им аргументированные объяснения. В случае получения характеристик лакокрасочных материалов неудовлетворяющих требованиям нормативно–технической документации, указать возможные причины с точки зрения технологии. Увязать показатели
исследуемых свойств с назначением и условиями эксплуатации лакокрасочных
композиций. Составить рекомендации по использованию исследуемых материалов.
233
Контрольные вопросы
1 Какую роль играют связующие вещества в лакокрасочных материалах?
1 Для соединения частиц пигмента и наполнителя между собой и с окрашиваемой поверхностью.
2 Для соединения частиц пигмента между собой.
3 Для соединения частиц пигмента и наполнителя между собой.
4 Для соединения частиц наполнителя между собой и с окрашиваемой поверхностью.
2 Что называется олифами?
1 Твердые вещества, переводимые в жидкое состояние расплавлением в заводских условиях.
2 Жидкие твердеющие вещества, получаемые переработкой высыхающих растительных масел или жирных смол.
3 Твердые вещества, переводимые в жидкое состояние растворителями.
4 Жидкие вещества, затвердевающие при взаимодействии с растворителями.
3 Что служит сырьем для получения натуральных олиф?
1 Любые растительные масла.
2 Растительные масла, обладавшие способностью к высыханию.
3 Смесь рафинированных углеводородов и высыхающих растительных
масел.
4 Смесь растительных и машинных масел.
4 Что значит число омыления олиф?
1 Содержание в олифе жирных кислот в свободном состоянии.
2 Количество щелочи, необходимой для создания красочного состава.
3 Количество пигмента, необходимого для получения красочного состава заданной вязкости.
4 Содержание кратных связей.
5 Какое свойстве красочного состава характеризует укрывистость?
1 Кроющую способность пигмента.
2 Красящую способность пигмента.
3 Маслоемкость пигмента.
4 Дисперсность пигмента.
6 Какое свойство красочного состава характеризует интенсивность?
1 Кроющую способность пигмента.
2 Красящую способность пигмента.
3 Маслоемкость пигмента.
4 Дисперсность пигмента.
234
7 Какие пигменты относятся к ахроматическим?
1 Белые, серые и черные.
2 Синие и зеленые.
3 Красные и коричневые.
4 Тонкомолотые металлические порошки.
8 Назовите красные пигменты.
1 Сурик свинцовый, известь, ультрамарин, оксид хрома.
2 Мумия искусственная, сурик свинцовый, крон красный, редоксайд.
3 Крон красный, литопон, оксид хрома, лазурь малярная.
4 Крон красный, умбра, охра, пиролюзит.
9 Что такое сиккативы?
1 Вещества, способствующие растворению масляных красок.
2 Вещества, замедляющие процесс "высыхания" масляных красок.
3 Вещества, способствующие быстрому пленкообразованию и "высыханию"
масляных красок.
4 Вещества-катализаторы, вводимые при варке олиф.
10 Какие лаки применяют для покрытия горячих металлических поверхностей?
1 Политуры.
2 Силиконовые кремнийорганические.
3 Битумные.
4 Эпоксидные.
235
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Определитель основных пород древесины по внешним признакам
I часть. Группы древесных пород
А. Годичные слои хорошо заметны у всех пород. Сосудов нет. Сердцевинные
лучи не видны. Древесина имеет смоляные ходы . . . . . . . . . . . . . хвойные породы.
Б. Годичные слои из-за разницы в строении ранней и поздней древесины хорошо заметны. Расположенные в ранней зоне годичных слоев крупные сосуды
образуют на торцевом разрезе сплошное кольцо отверстий, хорошо видимое невооруженным глазом. В плотной темной зоне заметны скопления мелких сосудов
и паренхимных клеток в виде светлых радиальных полосок, волнистых линий
вдоль границы годичных слоев, отдельных черточек или точек. У большинства
пород видны сердцевинные лучи, все породы ядровые . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . кольцесосудистые лиственные породы.
В. Годичные слои у большинства пород видны плохо. Сосуды, если они заметны, на торцевом разрезе не образуют сплошного кольца. Поздняя древесина годичного слоя не имеет рисунка. У некоторых пород видны сердцевинные лучи . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . рассеянно сосудистые лиственные породы.
II часть. Древесные породы
А. Хвойные породы
1 Ядро есть. Древесина ядра светло-розового, желтовато-розового, буроватокрасного или красновато-бурого цвета заметно отличается от заболони светлого
цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2).
Ядра нет. Древесина белого цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4).
2 Поздняя древесина годичных слоев резко отличается более темным цветом
от ранней древесины . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3).
Поздняя древесина годичных слоев слегка отличается более темным цветом от
ранней древесины. Переход от ранней древесины к поздней древесине постепенный, растушеванный. Древесина ядра светло-розовая или желтовато-розовая. Заболонь широкая, желтовато-белая. Переход от заболони к ядру плавный. Смоляные ходы крупные и довольно многочисленные. Древесина легкая и мягкая . . . . .
. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . сосна кедровая.
3 Смоляные ходы мелкие и немногочисленные. На всех разрезах годичные
слои четко выделяются. Ядро красновато-бурого цвета. Заболонь узкая белая или
желтоватая. Граница между ядром и заболонью резкая. Древесина твердая, тяжелая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . лиственница.
236
Смоляные ходы довольно крупные и многочисленные. Годичные слои видны
на всех разрезах. Граница между ранней и поздней древесиной хорошо заметна.
Ядро от розового до буровато-красного цвета. Заболонь широкая желтоватого или
бледно-розового цвета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . сосна обыкновенная.
4 Смоляные ходы есть. Немногочисленные смоляные ходы заметны на торцевом разрезе. Годичные слои различаются на всех разрезах . . . . . . . . . . . . . . . . . ель.
Смоляных ходов нет. Древесина легкая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . пихта.
Б. Кольцесосудистые лиственные породы
1 Сердцевинные лучи (широкие) хорошо видны на торцевом и радиальном
разрезах. Древесина ядра желтовато-коричневого или темновато-бурого цвета.
Заболонь узкая светло-желтая, четко ограничена от ядра. Годичные слои четко
выражены на торцевом разрезе. Поздняя древесина плотная и темная. На торцевом разрезе в поздней древесине видны радиальные пламевидные светлые полосы. Древесина тяжелая, твердая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . дуб летний.
Сердцевинные лучи на торцевом разрезе плохо видны или совсем незаметны (2)
2 На торцевом разрезе в поздней древесине годичных слоев видны светлые непрерывные волнистые линии, расположенные вдоль слоев . . . . . . . . . . . . . . . . . (3).
На торцевом разрезе в поздней древесине видны отдельные светлые точки или
короткие извилистые черточки (у внешней границы широких годичных слоев).
Ядро светло-бурое. Заболонь широкая, желтовато-белая, постепенно переходит в
ядро. Сердцевинные лучи слабо заметны на радиальном разрезе в виде черточек и
точек. Древесина твердая и тяжелая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ясень.
3 На радиальном разрезе сердцевинные лучи более темного цвета, чем окружающая древесина, видны как короткие блестящие черточки, создающие характерную рябоватость. Ядро темно-бурое. Заболонь узкая, буровато-серая, хорошо
отличается от ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ильм горный.
Сердцевинные лучи по цвету мало отличаются от окружающей древесины и
только по блеску заметны на радиальном разрезе. Ядро светло-бурое. Заболонь
широкая, желто-белая, постепенно переходит в ядро . . . . . . . . . . . . . . вяз гладкий.
В. Рассеянно сосудистые лиственные породы (ядра нет)
1 Сосуды мелкие. На торцевом разрезе сосуды не видны . . . . . . . . . . . . . . . . (2).
Сосуды крупные. На торцевом разрезе хорошо видны. Древесина ядра темная,
коричневато-серого цвета. Заболонь широкая серовато-бурая. Слабо отличается
от ядра. Переход от заболони к ядру постепенный. Годичные слои широкие, слегка извилистые видны на всех разрезах. На радиальном и тангентальном разрезах
хорошо заметны сосуды в виде бороздок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . орех грецкий.
2 На торцевом разрезе хорошо видны широкие сердцевинные лучи . . . . . . (3).
На торцевом разрезе узкие сердцевинные лучи слабо видны или совсем не различимы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5).
3 На торцевом разрезе видны широкие сердцевинные лучи . . . . . . . . . . . . . . (4).
237
На торцевом разрезе видны немногочисленные (ложно-широкие) матовые
сердцевинные лучи. Есть и узкие сердцевинные лучи. На тангентальном разрезе
сердцевинные лучи хорошо заметны в виде темных узких довольно длинных продольных полос. Годичные слои различаются слабо. Древесина светло-красная или
буровато-красная. Встречаются сердцевинные повторения* в виде бурых узких
продольных черточек. Древесина легкая и мягкая . . . . . . . . . . . . . . . .ольха черная.
4 Сердцевинные лучи на продольных разрезах темнее окружающей древесины
и хорошо выделяются. На радиальном разрезе они отлично видны как блестящие
широкие полоски. На тангентальном разрезе сердцевинные лучи также хорошо
заметны в виде узких темных чечевицеобразных штрихов и создают характерный
крапчатый рисунок. Древесина белая с желтоватым или красноватым оттенком.
Иногда встречается порок – ложное ядро красно-бурого цвета . . . . . . . . . . . . . бук.
Сердцевинные лучи (ложноширокие) на радиальном разрезе окрашены светлее
окружающей древесины и заметны слабо. Древесина серовато-белая с легким
желтоватым оттенком. Годичные слои волнистые неравномерной ширины, заметны на торцевом разрезе. Древесина тяжелая и твердая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . граб.
5 Узкие сердцевинные лучи различимы невооруженным глазом на одном, двух
или трех разрезах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6).
Сердцевинные лучи ясно не видны невооруженным глазом ни на одном разрезе. Древесина белая со слабым зеленоватым оттенком. Иногда встречается порок
– ложное ядро буроватого цвета. Годичные слои различимы на торцевом и тангентальном разрезах. Встречаются желтые овальные пятна сердцевинных повторений. Древесина мягкая и легкая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .осина.
6 Узкие сердцевинные лучи видны на всех разрезах, Древесина белая с желтоватым ил розовым оттенком. Иногда встречается порок – ложное ядро зеленовато-серого цвета. Годичные слои ясно различимы на торцевом разрезе и заметны
на продольных разрезах. На радиальном разрезе многочисленные сердцевинные
лучи, имеющие слегка буроватый цвет и отличающиеся сильным блеском, создают характерную рябоватость. Древесина тяжелая и твердая . . клен остролистный.
Узкие сердцевинные лучи заметны на двух или одном разрезе . . . . . . . . . . . (7).
7 Узкие сердцевинные лучи заметны на торцевом разрезе, еще лучше видны на
радиальном разрезе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8).
Сердцевинные лучи видны только на строгом радиальном разрезе (лучше на
поверхности радиального раскола) в виде узких коротких блестящих поперечных
полосок. Древесина белая с желтоватым и красноватым оттенком. Годичные слои
заметны слабо. Часто встречаются на продольных разрезах сердцевинные повторения в виде бурых черточек или штрихов. Древесина тяжелая и твердая . береза.
8 Древесина белая с легким розовым оттенком. Годичные слои видны слабо.
Древесина легкая и очень мягкая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . липа мелколистная.
Древесина желтая матовая. Годичные слои узкие волнистые. Древесина очень
тяжелая и твердая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . самшит.
* - сердцевинные повторения возникают в результате повреждения растущего дерева насекомыми и имеют вид бурых, коричневатых черточек, пятнышек, полос, по виду напоминающих
сердцевину.
238
Приложение 2
Приготовление водно-алюминиевой суспензии для газобетона
Для лучшего распределения алюминиевой пудры в бетонной смеси ее предварительно смешивают с водой. Так как частицы непрокаленной алюминиевой
пудры покрыты гидрофобным веществом, то ее сначала смачивают поверхностно-активными веществами пав, например, ЛСТ, раствором канифольного мыла и
др.
В сосуд емкостью 0,5…1,0 л осторожно всыпают нужное количество алюминиевой пудры. Затем вливают раствор ПАВ в количестве 5 % от массы алюминиевой пудры в пересчете на сухое вещество и 0,3…0,5 л воды. После тщательного
перемешивания в течение 2…4 мин, когда все частицы пудры смочены раствором, суспензия считается готовой.
239
ГЛОССАРИЙ
А
Автоклавная обработка – процесс обработки материалов водяным паром или
горячей водой с целью ускорения процесса твердения вяжущих веществ или проведения синтеза искусственного камня из малоактивного или инертного сырья.
Азотирование – это процесс поверхностного насыщения стали азотом путем
длительной выдержки ее при нагреве до 600…650 °С в атмосфере аммиака NH3.
Активные минеральные добавки (добавки активные минеральные).
Алит – собирательное название твердых растворов различных элементов в
трехкальциевом силикате. Является минералом портландцементного клинкера.
Состав непостоянен.
Алитирование, хромирование, силицирование – разновидности диффузионной
металлизации и выполняются аналогично цементации в соответствующих средах
(Al, Cr, Si).
Аллотропия – способность одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.
Алюминий – один из распространенных металлов в земной коре.
Аморфизация – термин, характеризующий технологический процесс превращения кристаллического вещества в аморфное вещество, отличающееся хаотичным расположением ионов и изотропией свойств.
Ангоб – тонкий слой беложгущейся или цветной глины, который наносят на
поверхность еще не обожженного материала и закрепляют на поверхности обжигом.
Асфальтобетон – это смесь асфальтового вяжущего, мелкого заполнителя и
щебня или гравия. Твердение асфальтобетона за счет загустевания вяжущего.
Арматура – стальные стержни или каркасы и сетки, расположенные в массе
бетона в соответствии с характером работы конструкции.
Аустенит – твердый раствор углерода в γ-Fe. Атомы углерода внедряются в
кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей.
Б
Белит – собирательное название твердых растворов различных элементов в
двухкальциевом силикате. Является минералом портландцементного клинкера (в
виде β- CaSO4.0,5H2O).
240
Бетон – искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания уплотненной смеси вяжущего, мелкого и крупного заполнителей, воды и
некоторых добавок.
Бетонная смесь – рационально составленная, однородно перемешанная, пластичная при формовании смесь компонентов бетона до начала схватывания и
твердения входящего в ее состав вяжущего.
Битумы природные – вязкие жидкости или твердообразные вещества, состоящие из смеси углеводородов и их неметаллических производных. Получились в
результате естественного процесса окислительной полимеризации нефти.
Битумы нефтяные (искусственные) – получаются переработкой нефтяного сырья.
Бронза – это сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, никелем, кремнием,
бериллием и другими элементами.
В
Влагоемкость – способность материала вмещать в себя определенное количество воды и удерживать ее. Влагоемкость определяет водопотребность материала.
Водонепроницаемость – способность материала не пропускать через свою
толщу воду под давлением.
Водопотребность – минимальное количество воды, требуемое для получения
вяжущего теста заданной вязкости. Водопотребность материала, которая соответствует стандартной вязкости (текучести) вяжущего теста, называется нормальной
густотой НГ.
Водоудерживающая способность – способность растворной смеси не расслаиваться при транспортировании и сохранять достаточное количество воды в тонком слое смеси, уложенной на основание.
Воздухововлекающие ПАВ – вещества, которые при перемешивании образуют
пену, вовлекая воздух в мелкопористом состоянии.
Воздушная известь - воздушное вяжущее вещество, получаемое обжигом не до
спекания (1000…1200 оС) кальциево-магниевых карбонатных пород (мел, известняк, мрамор, доломит), содержащих не более 6% глинистых примесей.
Воздушные вяжущие вещества – такие вяжущие, которые будучи смешаны с
водой, могут образовывать искусственный камень (твердеть) только в воздушносухой среде.
Вязкость – способность материала за счет сил внутреннего трения препятствовать течению, вызванному внешними силами.
241
Г
Газовая цементация – насыщение поверхностного слоя детали при 850…900 °С
газом, содержащим углерод.
Гашение – технологическая операция при получении гидратной извести (пушонки) или известкового теста. Заключается в затворении комовой или молотой
извести водой.
Гелеобразование (коагуляция) – переход системы их состояния золь в состояние гель.
Гель (связанно дисперсные системы) – системы, в которых частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет молекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры).
Гигроскопичность (сорбция) или гигроскопическую влажность - способность
материала поглощать воду из окружающей паро-воздушной среды в случае повышения ее относительной влажности
Гидравлические вяжущие вещества – такие вяжущие вещества, которые будучи смешаны с водой, могут образовывать искусственный камень (твердеть) в
атмосфере любой влажности, а также непосредственно в воде.
Гидратация – процесс химического взаимодействия цемента с водой, приводящий к образованию цементного камня.
Гидрофильные ПАВ улучшают процессы скольжения частиц относительно
друг друга.
Гидрофобные ПАВ. Эти добавки в спокойном состоянии образуют защитную
гидрофобную пленку на поверхности частиц, препятствующую попаданию гигроскопической влаги из окружающей среды, а при перемешивании играют роль
пластификатора.
Гипс – минерал состава CaSO4.2H2O образующий одноименную горную осадочную породу.
Гипсовые вяжущие вещества – воздушные вяжущие вещества, получаемые из
природного двуводного гипса CaSO4.2H2O, природного ангидрита CaSO4 и некоторых отходов промышленности (фосфогипс) в результате термической обработки.
Глинозем (оксид алюминия) – минерал, применяемый при производстве керамических материалов, материалов из силикатных расплавов. Содержится в полевошпатных горных породах. Природный глинозем – корунд, рубин, сапфир.
Гранулометрия (зерновой состав) – характеристика, учитывающая крупность
зерен заполнителя и количественное содержание отдельных фракций в нем.
Графит – мягкий и хрупкий компонент чугуна, состоящий из разновидностей
углерода.
242
Гудрон – остаток после отгонки из мазута масляных фракций. Основное сырье
для получения нефтяных битумов.
Д
Дегидратация – удаление из сырьевой смеси или материала химически связанной воды в результате термической обработки.
Дисперсная система – такая система, в которой вещество находится в состоянии более или менее высокого раздробления (дисперсности) и равномерно распределена в окружающей среде.
Добавки активные минеральные (гидравлические) – природные или искусственные вещества, которые при смешении в тонкоизмельченном виде с гидратной известью и затворении водой образуют тесто, способное после твердения на
воздухе продолжать твердеть и под водой.
Добавки пластифицирующие – вещества, которые, будучи внесенными в количестве сотых и десятых долей процента, улучшают подвижность (текучесть, удобоукладываемость) паст. Относятся к поверхностно-активным добавкам ПАВ.
Е
Естественные (природные) материалы, которые сохраняют свойства исходного
сырья. Технологические переделы связаны с приданием определенных форм и
размеров (механическая обработка).
Ж
Железобетон – материал, в котором соединены в единое целое стальная арматура и бетон.
З
Закалка – процесс нагрева металла выше верхних критических точек на
30…50°С с выдерживанием при этих температурах до полного прогрева слитка и
последующим очень быстрым его охлаждением.
И
Известняк – основной компонент сырьевой смеси при производстве портландцементного клинкера, а также других кальцийсодержащих вяжущих веществ.
Известняк плотный – карбонатная порода, характеризующаяся разнообразной
кристаллической структурой: равномерно-зернистой, но с зернами различной
формы, а также вообще разнозернистой.
Известь – безводный оксид кальция, продукт обжига до возможно полного
243
удаления углекислоты, или гидроксид кальция – продукт гашения безводной оксида кальция.
Изотропия – одинаковые свойства по всем направлениям материала.
Интенсивность (красящая способность) – способность передавать свой цветовой тон при смешивании.
Искусственные материалы получают из природного сырья, реже из побочных
продуктов промышленности, сельского хозяйства или сырья, получаемого искусственным путем. Они отличаются от исходного природного сырья по строению,
химическому составу.
К
Кварц (диоксид кремния SiO2) – минерал, природный кристаллический
кремнезем.
Керамические материалы – изделия и материалы, получаемые из порошкообразных веществ различными способами и подвергаемые обязательной высокотемпературной обработке (обжигу) для упрочнения и получения камневидного
состояния.
Классификация – система соподчиненных понятий, используемых как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов,
определяющая место объекта в системе, которое указывает на свойства этого объекта.
Клинкер – продукт обжига до спекания сырьевой смеси состава, обеспечивающего преобладания в нем силикатов кальция.
Клинкер портландцементный – продукт, получаемый в результате обжига до
спекания дисперсной смеси глины (30…25 %) и известняка (75…80 %) или природного мергеля.
Коагуляция (гелеобразование) – переход системы их состояния золь в состояние гель. Процесс слипания частиц в дисперсной системе, приводящий к структурированию системы или потере седиментационной устойчивости, с разделением
фаз и разрушением дисперсной системы. Приводит к усилению структурирования
и повышению пластической прочности.
Компонент – составная часть системы. Компоненты – вещества, наименьшего
числа которых достаточно для формирования любой фазы системы.
Красители органические – цветные химические соединения, которые при взаимодействии с разнообразными материалами имеют свойства на них закрепляться
и окрашивать их. Они способны переходить в раствор в соответствующих растворителях.
Кремнезем (диоксид кремния SiO2) – минерал, применяемый при производстве керамических материалов, материалов из силикатных расплавов. Природный
кремнезем - кварц.
244
Кристаллизация – процесс перехода вещества из газообразного, жидкого и
твердого аморфного состояний в кристаллическое, характеризующееся симметричным расположением ионов и атомов.
Критической температурой называется температура, при которой происходит
переход металла из одной аллотропической формы в другую.
Координационное число – число атомов, находящихся на наиболее близком
равном расстоянии от какого-либо атома кристаллической ячейки металла.
Крупный заполнитель – гравий и щебень.
Л
Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях
или воде.
Лакокрасочными материалами называют природные, искусственные или синтетические составы, наносимые в вязко-жидком состоянии тонким слоем на отделываемые поверхности и образующие плотные, твердые пленки, прочно сцепляющиеся с этими поверхностями.
Латунь – это сплав меди с цинком.
Легкие бетоны – пористые строительные материалы, плотность которых не
превышает 2000 кг/м3.
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при
1130°С и содержании углерода 4,3%.
Ликвидус – геометрическое место точек начала затвердевания сплавов с различным соотношением компонентов.
М
Магний – щелочноземельный металл, самый легкий из всех применяемых в
технике металлов, его плотность 1,74 г/см3, температура плавления 650 °С.
Макроструктура материала – это структура, наблюдаемая невооруженным глазом или под небольшим увеличением. Она обусловливается взаимным расположением компонентов материала, количеством и характером макропор и микродефектов, Различают конгломератную, ячеистую, волокнистую, слоистую, рыхлозернистую, мелкопористую, комбинированную макроструктуры
Мартенсит – пересыщенный раствор углерода в α-Fe с искаженной кристаллической решеткой.
Мастика – пластичное вещество из смеси нефтяного битума или дегтя с минеральным наполнителем и добавкой антисептика.
Маслоемкость – количество связующего, необходимого для образования пигмента суспензии однородного качества с необходимой вязкостью.
Мергель – карбонатно-глинистая осадочная горная порода, представляющая
собой тонкую равномерную смесь мельчайших зерен карбоната и глинистых частиц.
245
Мелкий заполнитель – рыхлая смесь минеральных зерен крупностью от 0,14
(0,16) до 5 мм, образовавшаяся в результате естественного разрушения массивных
горных пород (природный) или дробления горных пород (искусственный или
дробленый).
Металлы – вещества, характерными признаками которых при обычных условиях являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность,
особый блеск, называемый металлическим.
Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при
раздельной кристаллизации компонентов.
Минералогический состав дает информацию о том, какие минералы и в каком
количестве находятся в материале (мас. %).
Минеральные вяжущие вещества – порошкообразные вещества (кроме жидкого стекла), способные при смешивании с жидкостью (водой) или растворами солей образовывать пластичное тесто, которое под влиянием физико-химических
процессов, постепенно затвердевая, переходит в камневидное состояние, скрепляя
при этом отдельные камни в единый монолит. По способности твердеть и набирать прочность различают воздушные вяжущие вещества и гидравлические вяжущие вещества.
Минеральные материалы – такие материалы, которые состоят из природных
или искусственных минералов. Свойства минералов обусловлены их кристаллическим строением и химическим составом;
Модификация (мода) – см. полиморфизм.
Морозостойкость – способность материала в насыщенном водой состоянии
выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без разрушения и значительного снижения прочности.
Мылонафт – технический продукт, содержащий смесь натриевых солей нафтеновых кислот, а также свободные нафтеновые кислоты.
Н
Наклеп – упрочнение металла при пластической деформации.
Насыщенность – содержание чистого монохроматического цвета в смешанном
отраженном световом потоке. Характеризует степень разбавления спектрального
цвета белым.
Нормализация – нагрев стали до температуры на 30…50 °С выше верхних критических точек с выдержкой и затем охлаждение на воздухе.
Нормальная густота – водопотребность вяжущего теста, отвечающая стандартной текучести теста, выраженная количеством воды в долях единицы или в
процентах.
246
О
Однородность – способность материала иметь в каждой единице объема одинаковые состав, структуру и состояние, а, следовательно, и свойства. Все технологические процессы подчинены обеспечению однородности, т. к. она обеспечивает надежность и стабильность свойств.
Олифы – пленкообразователи, получаемые на основе растительных масел,
прошедших специальную обработку (окисление или длительный прогрев при высоких температурах), с добавлением сиккативов и растворителей.
Оптимальная структура характеризуется равномерным распределением частиц
по объему; отсутствием или малым содержанием мало дефектов структуры как
концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды.
Органические материалы, состоящие из соединений углерода с другими элементами;
Органическое сырье – уголь, нефть, торф, растительные и многие другие вещества, неоднородные по своему составу, но содержащие различные соединения
углерода.
Органические вяжущие представляют собой сложные смеси высокомолекулярных углеводородов, изменяющие свои физико-механические свойства в зависимости от температуры.
Отжиг – нагрев стали до температуры выше верхних критических (полный отжиг) или нижних критических (неполный отжиг) точек на 30…50 °С, выдержки
при такой температуре до полного прогрева слитка с последующим очень медленным охлаждением (вместе с охлаждаемой печью, под слоем песка, золы, шлака и
т.п.)
Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже нижних критических
точек.
П
Паста – высококонцентрированные эмульсии и эмульсии с твердыми эмульгаторами, разбавляемые водой до необходимой рабочей вязкости.
Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется в процессе распада аустенита при 723°С и содержании углерода 0,83 %.
Пигменты – химические соединения, нерастворимые или малорастворимые в
воде и органических растворителях.
Пластическая деформация — это деформация, которая остается после снятия
нагрузки.
Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности от механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекращено.
247
Пластмассы – неметаллические материалы на основе высокомолекулярных
смолообразующих веществ (полимеров) или их сочетаний (сополимеров), обладающие пластичностью в условиях переработки, а в изделиях сохраняющие форму и размеры.
Плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – органические соединения, способные адсорбироваться на поверхностях раздела фаз и понижать вследствие этого
их поверхностное натяжение (поверхностную энергию).
Поликонденсация – процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) с отщеплением низкомолекулярных продуктов.
Полимеризация – процесс соединения молекул низкомолекулярного вещества
(мономера) без выделения побочных продуктов. Молекулярная масса полимера
равна сумме молекулярных масс мономеров.
Полимеры – химические вещества, в структуру которых входят сложные молекулы, состоящие из десятков, сотен и тысяч атомов, повторяющихся и связанных между собой химическими связями.
Полиморфизм – способность вещества при постоянстве состава образовывать
кристаллы разного строения, формы и свойств. Каждую из кристаллических форм
вещества при этом называют полиморфной модификацией (модой).
Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера и необходимого количества природного гипса.
Подвижность – способность смеси растекаться под действием сил тяжести или
каких-то внешних сил.
Поздняя древесина (древесина поздняя)
Ползучесть – процесс увеличения деформации во времени при постоянном
напряжении.
Портландцемент (ПЦ) – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем
совместного тонкого помола клинкера и гипсового камня.
Прокаливаемость – способность стали закаливаться в глубину.
Прочность – способность материала сопротивляться внутренним напряжениям,
возникающим в результате действия внешних нагрузок.
Пуццоланы – горные породы, образующиеся при извержении вулканов, в виде
пылевидных частиц, осаждающихся на землю в виде вулканического пепла. Являются природными АМД.
Р
Размокание (распушка) – распад в воде крупных частиц на более мелкие или
элементарные. Данное свойство характерно для глинистых материалов. Размокание сопровождается разбуханием (увеличение в объеме) глин.
Ранняя древесина (древесина ранняя)
248
Рекристаллизация – процесс восстановления прежней структуры металла.
Релаксация напряжений – процесс уменьшения во времени напряжений деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пластическую при условии постоянства общей деформации.
С
Светлота – ряд оттенков одного и того же цветового тона от чисто белого до
чистого спектрального цвета. Оценивается коэффициентом отражения – отношение светового потока, отраженного от поверхности, к световому потоку, падающему на поверхность, %.
Светлотный контраст (контраст по светлоте) – иллюзия изменения светлоты
под действием соседних цветов.
Свойство – способность материалов определенным образом реагировать на
воздействие отдельных или совокупных внешних или внутренних силовых, усадочных, тепловых и других факторов.
Связующая способность – свойство материала после высыхания не рассыпаться и сохранять приданное ему форму.
Солидус – геометрическое место точек окончания кристаллизации сплавов.
Сосновая канифоль (гарпинус) – хрупкая стекловидная смола, состоящая из
смоляных кислот. Из смолы хвойных пород (живицы) после выделения из нее
скипидара.
Сорбит – мелкозернистая смесь цементита с ферритом.
Сплавы – металлические вещества с характерными свойствами металлов, получаемые при затвердевании жидких расплавов.
Строительный гипс – воздушное вяжущее вещество, состоящее из кристаллов
β – модификации. Для него характерны мелкокристаллическое строение, большая
удельная поверхность смачивания
Строительный раствор – искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения смеси вяжущего, воды, мелкого заполнителя и добавок.
Т
Твердые растворы – одно из состояний сплавов, которые образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла.
Температура первичной кристаллизации – температура, при которой металл
переходит из жидкого состояния в твердое состояние.
Термическая обработка – процессы нагрева и охлаждения стали, проведенные
по определенному режиму для повышения качества стали в связи с изменением ее
структуры.
Тиксотропия – способность бетонной смеси разжижаться при механических
воздействиях и самопроизвольно загустевать после их прекращения.
249
Тонкость помола – характеристика размеров частиц измельчаемого материала
на стадии тонкого измельчения (размола). Устанавливается ситовым анализом,
определением удельной поверхности, определением фракционного состава или
статистическими методами, основанным на оптической микроскопии.
Троостит – высокодисперсная смесь цементита с ферритом.
У
Удельная поверхность – один из важнейших параметров порошкообразных
материалов, определяемый как суммарная площадь поверхности всех частиц в
единице массы (объема) данного порошка.
Удобоукладываемость бетонной смеси – способность бетонной смеси плотно
заполнять форму при выбранном способе уплотнения.
Удобоукладываемость растворной смеси – способность растворной смеси распределяться на основании тонким однородным слоем, прочно сцепляющимся с
поверхностью.
Усадка воздушная – усадка, происходящая при сушке отформованных изделий за счет удаления физически связанной воды и сближения при этом частиц
глины.
Усадка огневая – усадка, происходящая при обжиге изделий за счет спекания,
образования жидкой фазы, которая заполняет межзерновое пространство, происходит еще большее сближения частиц.
Ф
Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe.
Х
Химико-термическая обработка стали – изменение химического состава стали
на поверхности изделия как следствие проведения термообработки.
Химические соединения образуются в результате химического взаимодействия
компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении.
Химический состав материала дает информацию о том, какие оксиды и в каком количестве находятся в нем.
Хроматический контраст – иллюзия изменения цветового тона или насыщенности цвета под действием соседних хроматических цветов.
250
Ц
Цементация – поверхностное насыщение малоуглеродистой стали (С<0,2 %)
углеродом с целью получения летали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной.
Цементит (Fе3С) – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода.
Цементы – общее название гидравлических вяжущих веществ, представляющих собой искусственные порошкообразные материалы, обладающие способностью при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после
предварительного затвердевания на воздухе может продолжать твердеть и длительно сохранять свою прочность в воде.
Цветовой тон – характеристика цвета, определяемая длиной волны, которая
соответствует преобладающему монохроматическому излучению. Естественным
рядом цветовых тонов является спектр солнечного света.
Цианирование – одновременное насыщение металла азотом и углеродом.
Ч
Черепок – изделие, получаемое после обжига.
Э
Эмульсия – это дисперсная система типа жидкость в жидкости.
Я
Ячеистые бетоны – мелкозернистый бетон, разновидность легкого бетона, получаемая в результате затвердевания поризованной пено- или газообразователем
смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и воды.
251
Библиографический список
1 Григорович, М.Б. Словарь по минеральному сырью для промышленности
строительных материалов / М.Б. Григорович, Н.Т. Блоха. – М.: Недра, 1976. – 87с.
2 Домокеев, А.Г. Строительные материалы: Учебник / А.Г. Домокеев. – М.:
Высшая школа, 1989. – 495 с.
3 Сергеев, А.Г. Метрология: Учебное пособие для вузов / А.Г. Сергеев, В.В.
Крохин. – М.: Логос, 2000. – 408 с.
4 Наназашвили, И.Х. Строительные материалы, изделия и конструкции:
Справочник / И.Х. Наназашвили. – М.: Высшая школа, 1990. – 495 с.
5 Нациевский, Ю.Д. Справочник по строительным материалам и изделиям:
Цемент. Заполнители. Бетон. Силикаты. Гипс / Ю.Д. Нациевский, В.П. Хоменко,
В.В. Беглецов. – Киев: Будiвельник, 1989. – 136 с.
6 Общий курс строительных материалов: Учебное пособие / И.А. Рыбьев,
Т.И. Арефьева, Н.С.Баскаков, Е.П. Казеннова и др.; отв. ред. И.А. Рыбьев. − М.:
Высшая школа, 1987. – 584 с.
7 Справочник по химии цемента. / Ю.М. Бутт, Б.В. Волконский, Г.Б. Егоров,
В.И. Корнеев и др.; под ред. В.В.Волконского и Л.Г. Судакаса. – Л.: Стройиздат,
1980. – 224 с.
8 Чехов, А.П. Строительные материалы: Лабораторные занятия. / А.П. Чехов.
– Киев: Вища школа, 1974. − 176 с.
9 ГОСТ 125. Вяжущие гипсовые. Технические условия.
10 ГОСТ 310. Цементы. Методы испытаний.
11 ГОСТ 530. Кирпич и камни керамические. Технические условия.
12 ГОСТ 2140. Пороки древесины. Классификация, термины и определения,
способы измерения.
13 ГОСТ 5802. Растворы строительные. Методы испытания.
14 ГОСТ 6139. Песок стандартный для испытаний цемента. Технические
условия.
15 ГОСТ 7473. Смеси бетонные. Технические условия.
16 ГОСТ 8267. Щебень из природного камня для строительных работ. Технические условия.
17 ГОСТ 8269. Щебень из природного камня, гравий и щебень из гравия для
строительных работ. Методы испытаний.
18 ГОСТ 8735. Песок для строительных работ. Методы испытаний.
19 ГОСТ 8736. Песок для строительных работ. Технические условия.
20 ГОСТ 10178. Портландцемент и шлакопортландцемент. Технические
условия.
21 ГОСТ 10180. Бетоны. Методы определения прочности на сжатие и растяжение.
22 ГОСТ 10181. Смеси бетонные. Методы испытаний.
23 ГОСТ 10181.1. Смеси бетонные. Методы определения удобоукладываемости.
252
24 ГОСТ 10181.2. Смеси бетонные. Методы определения плотности.
25 ГОСТ 10181.4. Смеси бетонные. Методы определения расслаиваемости.
26 ГОСТ 10268. Бетон тяжелый. Технические требования к заполнителям.
27 ГОСТ 10923. Рубероид. Технические условия.
28 ГОСТ 11503. Битумы нефтяные. Метод определения условной вязкости.
29 ГОСТ 11505. Битумы нефтяные. Метод определения растяжимости.
30 ГОСТ 11506. Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения по кольцу и шару.
31 ГОСТ 11830. Строительные материалы. Нормы точного взвешивания.
32 ГОСТ16483.0. Древесина. Общие требования к физико-механическим испытаниям
33 ГОСТ 16483.3. Древесина. Методы определения предела прочности при
статическом изгибе.
34 ГОСТ 16483.10. Древесина. Методы определения прочности при сжатии
вдоль волокон.
35 ГОСТ 16483.18. Древесина. Метод определения числа годичных слоев и
содержания поздней древесины в годичном слое.
36 ГОСТ 18105. Бетоны. Правила контроля прочности.
37 ГОСТ 22266. Цементы сульфатостойкие. Технические условия.
38 ГОСТ22236. Цементы. Правила приемки.
39 ГОСТ 23464. Цементы. Классификация.
40 ГОСТ 25137. Материалы нерудные строительные, щебень и песок из отходов промышленности. Заполнители для бетонов пористые. Классификация.
41 ГОСТ 25192. Бетоны. Классификация и общие технические требования.
42 ГОСТ26633. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия.
43 ГОСТ 28013. Растворы строительные. Общие технические условия.
44 ГОСТ 25818. Золы-уноса тепловых станций для бетонов. Технические
условия.
45 СНиП 82-02-95. Федеральные (типовые) элементные нормы расхода цемента при приготовлении бетонных и железобетонных изделий и конструкций.
46 СНиП 3.09.01-85.Производство сборных железобетонных конструкций.
47 СН 528-80. Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве. – М.: Стройиздат, 1981.
253
ОГЛАВЛЕНИЕ
Принятые сокращения и аббревиатуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Организация работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Отбор проб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Основное оборудование и инструменты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Единицы измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Техника безопасности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Отчет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Лабораторная работа № 1 Природные каменные материалы . . . . . . . . 16
Лабораторная работа № 2 Строительная древесина . . . . . . . . . . . . . . . 30
Лабораторная работа № 3 Керамические материалы . . . . . . . . . . . . . . . 47
Лабораторная работа № 4 Оценка качества керамического кирпича
по внешнему виду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Лабораторная работа № 5 Строительный гипс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 6 Строительная известь . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 7 Портландцемент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 8 Поверхностно-активные вещества . . . . . . .
Лабораторная работа № 9 Мелкий заполнитель для бетона . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 10 Крупный заполнитель для бетона . . . . . . .
Лабораторная работа № 11 Расчет состава тяжелого бетона . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 12 Свойства бетонной смеси и корректировка
состава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 13 Определение прочности бетона . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 14 Полимербетон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 15 Газобетон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 16 Строительные растворы. . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 17 Нефтяные битумы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 18 Черные металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 19 Строительные стали . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа № 20 Лакокрасочные материалы . . . . . . . . . . . . .
Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глоссарий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
254
Геннадий Степанович Семеняк
Владимир Васильевич Спасибожко
Борис Яковлевич Трофимов
Исаак Яковлевич Чернявский
Марина Дмитриевна Бутакова
Виктор Михайлович Жестков
Александр Сергеевич Королев
Виктор Сергеевич Малютин
Михаил Иванович Муштаков
Сергей Николаевич Погорелов
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
для выполнения исследовательских лабораторных работ