Технология конструкционных материалов: Методические указания

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»

Ф.Л. Капустин, А.М. Спиридонова

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Материаловедение в строительстве» Научный редактор: д-р техн. наук И.С. Семериков

Методические указания предназначены для проведения учебных лабораторных занятий по дисциплине “Технология конструкционных материалов”. В них рассмотрены методы определения эксплуатационных и иных свойств некоторых конструкционных материалов, а также порядок и методика выполнения студентами лабораторных работ, требования к объему, содержанию и последовательности составления отчетов по ним.

© ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2005

Екатеринбург 2005

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

3

Лабораторная работа № 1. МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

5

1. Строение металлов и сплавов

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

7

2. Свойства металлов и сплавов

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

8

3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов .

.

.

.

10

.

.

.

11

3.2. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов .

12

3.1. Аллотропические видоизменения железа .

.

.

3.3. Особенности диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

15

Лабораторная работа № 2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

21

1. Определение морозостойкости материала .

.

.

.

.

.

.

22

2. Ускоренный способ испытания материалов на морозостойкость 3. Водостойкость строительных материалов .

27

.

.

.

.

.

.

29

4. Химическая стойкость строительных изделий .

.

.

.

.

.

29

5. Атмосферостойкость строительных материалов

.

.

.

.

.

32

Лабораторная работа № 3. ИСПЫТАНИЕ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

35

1. Правила отбора проб для испытания

.

.

.

.

.

.

.

.

39

2. Внешний осмотр и наличие дефектов в кирпиче .

.

.

.

.

40

3. Оценка физических свойств керамических изделий .

.

.

.

42

4. Физико-механические испытания кирпича. Определение марки

43

4.1. Определение предела прочности при сжатии .

.

.

.

.

44

4.2. Определение предела прочности при изгибе .

.

.

.

.

46

.

.

.

.

.

48

.

.

.

.

.

54

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

.

.

.

.

.

.

.

.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

.

.

.

.

.

.

.

.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

. .

стр. 2 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Технология конструкционных материалов» в учебном плане подготовки инженеров строителей-технологов и инженеров-механиков по производству строительных материалов, изделий и конструкций является основополагающей для специальных дисциплин: архитектуры, технологии строительного производства, строительных конструкций, технологии изоляционных, железобетонных и других строительных изделий. Конструкционные материалы – это такие строительные материалы и изделия, которые в процессе эксплуатации зданий и сооружений должны выдерживать значительные статические и динамические нагрузки без ухудшения качества в конкретных климатических условиях и режимов эксплуатации. Кроме того, они должны быть долговечными и надежными, с вероятностью безотказной работы. К таким материалам относятся природные каменные материалы, керамика, бетон и железобетонные изделия, конструкционные пластмассы, металлы и металлические изделия. К конструкционным материалам предъявляются высокие требования по всему комплексу строительно-технических свойств. Будущий специалист должен хорошо разбираться в обширной номенклатуре строительных материалов, изделий и конструкций, правильно выбирать необходимые их виды с учетом качественных показателей, конкретных условий и стоимости, владеть знаниями в области технологии производства различных конструкционных материалов и изделий, сущности технологических операций и физико-химических процессов, под влиянием которых осуществляется переработка сырья. При этом главным аргументом в разработке технологии он должен считать безотходность производства при минимальном расходе топливно-энергетических ресурсов. В промышленности строительных материалов предпочтение отдается менее энергоемким технологиям. Для охраны окружающей природной среды и экономии топливноэнергетических ресурсов большое значение приобретает безотходное произГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 3 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

водство строительных материалов, включающее комплексную переработку побочных продуктов промышленности. При выполнении лабораторных работ по данной дисциплине студент познакомиться с основными методами испытания конструкционных материалов, свойствами и структурой металлов и сплавов, диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, знания о которой необходимы для правильного выбора и использования металлических материалов в строительстве. Специалист должен знать, как влияют на свойства металлов режимы термической обработки и на основе диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов должен уметь изменить свойства металлов в нужном направлении.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 4 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лабораторная работа № 1 МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ Металлы – это вещества, обладающие своеобразным блеском, пластичностью, ковкостью, высокой прочностью, электро- и теплопроводностью, свариваемостью, что обусловлено особой природой металлической связи. У металлов своеобразные не только физические, но и химические свойства: способность к реакциям окисления и восстановления. Большинство химических элементов (76 из 108) относится к металлам. Кроме металлов в строительстве применяют сплавы. Сплавы – сложные вещества, состоящие из нескольких элементов-металлов или смеси их с элементами-неметаллами. Свойства сплавов резко отличаются от свойств чистых исходных металлов и их можно регулировать. В строительстве из металлов наиболее широко применяются чугун и сталь. Из стального проката возводят каркасы промышленных и гражданских зданий, мосты, изготавливают арматуру для железобетона, кровельную сталь, трубы, а также различные металлические изделия: заклепки, гвозди, болты, трубопроводную арматуру (задвижки, вентили, краны). Однако металлы обладают существенными недостатками: коррозируют при действии различных га-зов и влаги, деформируются при высоких температурах. Термин «металл» произошел от греческого слова (metalleuo – выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть. Алхимики представляли, что металлы зародились в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно очень медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Они полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале XVIII века получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 5 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов предполагал существование шести металлов (Au, Ag,Cu, Sn, Fe, Pb) в виде «светлого тела, которое ковать можно». В конце XVIII века А.Л. Лавуазье, опровергнув гипотезу флогистона, показал, что металлы – простые вещества, в список которых включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag,As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. Были открыты спутники Pt, получены некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты новые металлы при химическом анализе минералов и метеоритов. В конце XIX и в начале XX веков получила физико-химическую основу металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств их сплавов в зависимости от состава и строения. Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым и Д.К. Черновым, впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов. Их научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки и термической обработки стали. Открытые Д.К. Черновым критические точки в стали явились

основой

для

построения

современной

диаграммы

состояния

системы Fe – С. В настоящее время развитие науки и техники, применение современных методов исследований позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов, находить новые пути повышения их механических и физикохимических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заданными свойствами, многослойные композиции с широким их спектром и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 6 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. Кристаллическая структура – пространственная решетка, в узлах которой расположены атомы. У металлов в узлах кристаллической решетки расположены не атомы, а положительно заряженные ионы, между которыми двигаются свободные электроны. Основное химическое свойство атомов – способность легко отдавать внешние (валентные) электроны, вследствие чего образуются положительно заряженные ионы. Размеры атомов металлов больше, чем у неметаллов. Их внешние электроны значительно удалены от ядра, слабо связаны с ним и поэтому легко отделяются от атомов. У металлов внешние электронные оболочки мало содержат электронов (1 или 2), у неметаллов – 5-8. Внешние электроны свободно и непрерывно перемещаются между ионами. Они не принадлежат отдельным атомам, а являются общими, образуя электронный газ. Взаимодействие (электрическое притяжение) между положительно заряженными ионами и электронами называется металлической связью. Свободные ионы являются переносчиками электрического тока. Они поглощают и испускают световую энергию, что придает металлам непрозрачность и блеск. Свободные электроны переносят тепловую энергию, поэтому металлы теплопроводны. Их атомы стремятся расположиться близко друг к другу, вследствие чего плотность металлов выше, чем у неметаллов. Как ранее сказано, металлы и металлические сплавы имеют кристаллическую структуру, в которой атомы располагаются в определенной последовательности, образуя кристаллическую решетку. Наиболее характерными для металлов являются объемно-центрированная кубическая решетка (атомы расположены в узлах решетки и центре куба) и гранецентрированная кубическая решетка (атомы расположены в узлах решетки в центре каждой грани) (рис. 1). Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 7 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров. Для железа это расстояние 28,4 нм (α-Fe) и 36,3 нм (γ-Fe). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.

а

б

Рис. 1. Структура кубического кристалла металлов: а – объемно-центрированный; б – гранецентрированный

2. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Наиболее важными свойствами металлов и сплавов являются: физические, механические и технологические. Физические свойства металлов характеризуются плотностью, температурным расширением и температурой плавления. Плотность – отношение массы металла к его объему. Как правило, у металлов средняя плотность (ρо) равна истинной (ρ). По плотности они подразделяются условно на легкие и тяжелые. У легких металлов (Al, Mg) плотность меньше 3000 кг/м3. Чем меньше плотность, тем легче и эффективнее металлические конструкции. Самыми легкими являются конструкции из алюминия и его сплавов. Приведем некоторые данные по плотности металГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 8 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

лов в кг/м3: железо – 7530, сталь – 7800, алюминий – 2700, сплавы алюминия – 2550-2800, латунь – 8500, медь – 8900, легированная сталь – 8100, свинец – 11300, цинк – 7000, чугун белый – 7700, чугун серый – 7100 (для сравнения: золото – 19500, платина – 21500). Температурное расширение металлов при нагревании характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Это свойство необходимо учитывать при проектировании строительных конструкций, проведении сварочных работ, так как в результате местного нагрева могут образоваться трещины. Способность металлов расширяться при нагревании используется при производстве предварительно напряженных железобетонных изделий способом электротермического напряжения арматуры. Как известно, коэффициент линейного расширения (αℓ) определяется по формуле: αℓ =

∆L 1 , D , t Lo С

(1)

а коэффициент объемного расширения (αν) по формуле: αν =

∆V 1 , D , t Vo С

(2)

где: ∆L – увеличение длины, м; ∆V – приращение объема, м3; Lo – первоначальная длина, м; Vo – первоначальный объем, м3; t – температура, ºС. Ниже приведены некоторые значения коэффициентов линейного расширения металлов и сплавов,

1 ·10–6: алюминий – 23, дюралюминий – 22, С

D

железо – 11, латунь – 17, медь – 16, бронза – 17, чугун – 10, сталь – 12 (для сравнения: некоторые виды пластмасс – 120-200). Температуру плавления металлов необходимо знать при их механической обработке и получении изделий литьем. Однако температура плавления металлов изменяется от добавки к ним других веществ при получении сплавов. Большинство сплавов имеют температуру плавления ниже, чем сами металлы. Приведем некоторые данные по температурам плавления металлов и сплавов, ºС: алюминий – 600, бронза – 900, железо – 1540, латунь – 900, медь ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 9 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

– 1083, сталь – 1400, чугун – 1200. Изменение температуры плавления металлов от содержания в нем других веществ характеризуется диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов.

3. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ Диаграмма состояния Fe – С включает все сплавы (чугун, сталь), имеющие практическое значение. Максимальное содержание углерода в сплавах железа составляет 6,67 % и соответствует количеству его в Fe3C. Это химическое соединение следует рассматривать, как отдельный компонент. На диаграмме есть сплошные и пунктирные линии – это означает, что углерод может находиться в элементарном виде (графит) и в виде химических соединений. Мы будем рассматривать диаграмму системы Fe – Fe3С (сплошные линии). Некоторые металлы (Fe, Sn, Tg, Zr, Co) способны испытывать превращения в твердом состоянии при изменении температуры, т.е. подвергаться вторичной кристаллизации в твердом состоянии. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах называется аллотропией, а процесс изменения кристаллической решетки – аллотропическим или полиморфным превращением. Аллотропические формы металла называют модификациями и обозначают α, β, γ, δ. Модификации, устойчивые при низких температурах, обозначают α, при более высоких – β, а следующие – γ и δ. При вторичной кристаллизации происходит перестройка кристаллической решетки и образование новых кристаллов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 10 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Аллотропические видоизменения железа Железо может существовать в различных модификациях, это можно проследить по кривым охлаждения и нагревания (рис. 2). Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании. Как видно, при температуре 1540 ºС появляется первая горизонтальная площадка. Эта остановка охлаждения отмечает переход железа из жидкого состояния в твердое δ-Fe с выделением тепла (Т = 1539 ºC). Кристаллы δ-Fe имеют объемно-центрированную кристаллическую решетку.

t, ºС

Жидкое железо

1539

t, ºС 1539

1401

898

911

768

768

Продолжительность Рис. 2. Кривые охлаждения и нагревания железа

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 11 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вторая остановка снижения температуры происходит при 1401 ºС в точке Аг4. При этом δ-Fe переходит в γ-Fe. Эта кристаллическая решетка представляет собой гранецентрированный куб, характеризующийся более плотной упаковкой. При дальнейшем охлаждении горизонтальная площадка, свидетельствующая о новом фазовом превращении, образуется при температуре 898 ºС. Она указывает на переход гранецентрированного γ-F в объемноцентрированный β-Fe. Это превращение сопровождается увеличением объема сплава. Последняя остановка происходит при температуре 768 ºС в точке Аг2, что соответствует переходу β-Fe в α-Fe без изменения кристаллической решетки. Выделение тепла при переходе β-Fe в α-Fe приводит к внутриатомным изменениям, в результате чего у α-модификации железа появляются магнитные свойства. 3.2. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов Железо, реагируя с углеродом, образует ряд химических соединений: Fe3C, Fe2C, FeC и другие. Обычно диаграмму Fe – С изображают только до содержания углерода 6,67 %, так как практическое значение имеет только часть этой диаграммы (сплавы, содержание углерод в большем количестве, очень хрупкие). Соединения Fe3C называют цементитом, а диаграмму – железо-цементит. Прежде, чем рассматривать превращения, происходящие с изменением температуры в сплавах, рассмотрим свойства и строение компонентов и фаз. Железо – металл серебристо-серого цвета. Чистое железо имеет степень чистоты 99,9917 % и является очень дорогим металлом. Технически чистое железо содержит 0,10-0,15 %примесей, его температура плавления 1539±5 ºС, плотность 7860 кг/м3. Оно обладает невысокими твердостью (по Бринеллю НВ = 500-800 МПа) и прочностью при растяжении (180-280 МПа) и высокой пластичностью. Удлинение при растяжении составляет 50-80 %. Железо легко сплавляется с другими металлами: Si, Mn, Cr, Ni и другие. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 12 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Углерод встречается в природе в виде трех модификаций: уголь, графит, алмаз. Обладает слабовыраженными металлическим свойствами. В сплавах в свободном состоянии встречается в виде графита, плотность которого 2250 кг/м3. Прочность графита невелика: при температуре 20 ºС составляет всего 2 МПа, но с повышением температуры, в отличие от металлов, возрастает и составляет при температуре 2500 ºС уже 4 МПа. Графит обладает сублимацией, т.е. не плавится, а при температуре 3650 ºС переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Таким образом, основными компонентами в железоуглеродистых сплавах являются железо и углерод. В жидком состоянии эти компоненты образуют одну фазу. Фаза – однородная часть неоднородной системы, отделенная от других частей поверхностью сплава. Итак, при высоких температурах железоуглеродистый сплав – это единая жидкая фаза, в процессе затвердевания и последующего охлаждения которой образуются твердые растворы, механические смеси (эвтектики и эвтектоиды), химические соединения. Твердые растворы – сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя. Растворимый элемент может замещать часть атомов основного металла или внедряется между ними, но без образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах Fe – С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации проникания одного элемента кристаллической решетки в другой. Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который считается растворителем. К твердым растворам в железоуглеродистых сплавах относятся: феррит и аустенит.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 13 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ферр – твердый раствор внедрения углерода в дефект решетки α-Fe. Максимальная растворимость углерода при температуре 727 ºС составляет 0,02 %. Феррит мягкий и пластичный материал, обладающий сильными магнитными свойствами. Его твердость и прочность близки свойствам технически чистого железа, и он обладает высокой тепло- и электропроводностью. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в кристаллическую решетку в γ-Fe. При температуре 1147 ºС аустенит содержит 2,14 % С, а при 727 ºС – 0,8 %. Аустенит пластичен, имеет низкую твердость (НВ = 170-220 МПа) и прочность, парамагнитен, т.е. имеет невысокие магнитные свойства. Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава при его охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания сплава смеси. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенных концентрациях отдельных составляющих и температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании, в первую очередь, выпадает компонент, избыточный по отношению к ним. К таким механическим смесям относятся ледебурит и перлит. Ледебурит (эвтектика) – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при температуре 1130 ºС и содержании углерода 4,30 %. Структура его неустойчивая: при охлаждении до 727 оС распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит отличается высокой твердостью (НВ = 700 МПа) и очень хрупок. Перлит (эвтектоид) – образуется при распаде твердого раствора аустенита при температуре 727 ºС и содержании углерода 0,83 %. Он представляет собой смесь зерен цементита и феррита пластинчатой и глобулярной (зерни-

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 14 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

стой) формы. Его твердость НВ = 160 МПа, а прочность при растяжении 820 МПа. Свое название он получил за перламутровый блеск. Наряду с указанными структурными составляющими в железоуглеродистых сплавах присутствует химическое соединение Fe3С. Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных компонентов. Они, как правило, обладают характерными физико-механическими свойствами. Цементит (Fe3C) – содержит 6,67 % углерода, его температура плавления 1600 ºС. Он является очень твердым и прочным соединением (НВ = 800 МПа), но хрупок, слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло. Цементит является самостоятельной структурной составляющей, а также составной частью эвтектической смеси. Он неустойчив и при высоких температурах распадается на железо и углерод по реакции: Fe3C = 3Fe + C (3) 3.3. Особенности диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов Изменения структуры и свойств сплавов от концентрации и температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Они не содержат фактор времени и соответствуют условиям очень медленного нагрева и охлаждения. На оси ординат диаграммы отложена температура, на оси абсцисс – содержание в сплавах углерода до 6,67 %, т.е. до такого количества, при котором образуется химическое соединение цементит (Fe3C) (рис. 3). Пунктирными линиями нанесена диаграмма состояния железо– графит, так как возможен распад цементита.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 15 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

t, ºС А

C Ш

1400 II

III

1200

F

E

IY

1000

B YI

G

YII

Y

800

Р

K IX

600

S X

XI

XII

C, %

Q 0

20

40

60

80

100 Fe3C, %

Рис. 3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов:

а – диаграмма; I – жидкий сплав; II – жидкий сплав и кристаллы аустенита; III – жидкий сплав и цементит; IV – аустенит; V – цементит и аустенит; VI – аустенит, цементит, ледебурит; VII – цементит и ледебурит; YIII – феррит и аустенит; IX – феррит и перлит; X – цементит и перлит; XI – перлит, цементит, ледебурит; XII – цементит, ледебурит; б – ориентировочные отношения структурных составляющих в различных областях диаграммы Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не железоуглеродистой, а железоцементитной, так как свободного углерода в сплавах не содержится. Однако содержание углерода пропорционально количеству цементита, поэтому практически удобнее все структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 16 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т.е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах. Линия АВС – линия ликвидуса, выше которой сплав находится в жидком состоянии. Линия АЕВF – линия солидуса, ниже которой сплав находится в твердом состоянии. При температурах, соответствующих этой линии, заканчивается первичная кристаллизация. Только чистые металлы и эвтектика плавятся и затвердевают при постоянной температуре. Затвердевание всех остальных составляющих сплава происходит постепенно, причем из жидкого сплава сначала выделяется избыточный по отношении к составу эвтектики компонент. Область АЕSG на диаграмме соответствует аустениту. Между линиями солидуса и ликвидуса (в интервале этих температур) происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одновременно существуют две фазы: жидкий сплав + кристаллы твердых растворов (в поле 2 – сплав + кристаллы аустенита, в поле 3 – сплав + кристаллы цементита). Рассматривая линию АВС, видно, что с увеличением содержания углерода до 4,3 % температура плавления сплава увеличивается. По данной линии при понижении температуры из расплава выпадают кристаллы аустенита переменного состава. Изменение состава жидкой фазы с уменьшением температуры происходит по линии АС, а выпавших кристаллов – по линии АЕВF (линии солидуса). Кристаллизация сплавов, содержащих 2,0-4,3 % углерода, заканчивается полностью по линии ЕВ при температуре 1147 ºС. Одновременно из расплава выпадают кристаллы аустенита, содержащие 2 % углерода (точка Е) и цементита, содержащего углерод в количестве 6,67 %. Механическая смесь кристаллов цементита и аустенита образует ледебурит (точка В). Сплавы, лежащие правее точки В и содержащие 4,30-6,67 % углерода, кристаллизуются по линии ВС. Вначале из расплава выделяется первичный цементит. По мере его выпадения в жидкой фазе количество углерода ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 17 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

уменьшается. При температуре 1147 ºС (линия ВF) оставшийся расплав затвердевает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав ниже линии ВF состоит из первичного цементита и ледебурита. Сплавы, находящиеся левее от точки В и содержащие до 4,30 % углерода, называются доэвтектическими, а правее ее и содержащие более 4,30 % углерода – заэвтектическими. Между линиями ликвидуса АВС и солидуса АЕВF железоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твердой фаз, причем с понижением температуры количество твердой фазы увеличивается. Таким образом, после окончания затвердевания структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита и ледебурита, структура эвтектического сплава – из ледебурита, а структура заэвтектических сплавов – из первичного цементита и ледебурита. Ниже линии солидуса АЕВF в затвердевших сплавах при понижении температуры наблюдаются изменения структуры, связанные с перекристаллизацией в твердом состоянии. Эти изменения называются вторичной перекристаллизацией. С понижением температуры железо переходит из γ-формы в α- и растворимость углерода в них уменьшается. Сплав в области IV состоит из одного аустенита. При охлаждении сплавов, содержащих углерод менее 0,80 % (левее точки S и ниже линии GS) происходит распад аустенита с выделением из него кристаллов феррита, которые изменяют свой состав по линии GS. Этот процесс протекает до температуры 727 ºС. В точке S при содержании углерода 0,80 % аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цементита – эвтектоид-перлит. Пользуясь правилом отрезков по диаграмме состояния можно определить соотношение феррита и цементита в перлите при 727 ºС: Qф / Qц =

SK = (6,67– 0,8) / 0,8 = 7, (4) PS

где Qф – количество феррита, %; Qц – количество цементита, %. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 18 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сплавы с содержанием углерода 0,80 % называются эвтектоидными, менее 0,80 % – доэвтектоидными и более 0,80 % – заэвтектоидными. При охлаждении сплавов, лежащих правее точки S и содержащих более 0,80 % углерода, ниже линии SE происходит распад аустенита с выделением из него вторичного цементита. Этот цементит содержит 6,67 % углерода и концентрация углерода в остающемся аустените изменяется по линии SE до состава в точке S при 727 ºС. Таким образом, доэвтектоидные сплавы в области YIII состоят из аустенита и феррита, а в области IХ – феррита и перлита. Заэвтектоидные сплавы (0,80-2,00 % углерода) в области Y состоят из аустенита и вторичного цементита, а в области Х – из вторичного цементита и перлита. Сплавы, содержащие от 2,00 до 4,30 % углерода, выше линии PSK, но ниже линии EВ (область VI) состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. Сплавы, соответствующие эвтектической точке В, ниже линии PSK имеют структуру ледебурита. По линии PSK и ниже, в сплавах (область ХI) происходит превращение аустенита в перлит, и структура сплава состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Сплавы, содержащие 4,30-6,70 % углерода, ниже линии ВF, но выше линии PSK (область VII) состоят из первичного цементита и ледебурита; ниже линии PSK (область ХII) сплавы сохраняют эту структуру. В левой нижней части диаграммы линия PG показывает уменьшение растворимости углерода в α-железе (феррите) с понижением температуры. По линии PG выделяется третичный цементит. Сплавы между точками P и G состоят из феррита и третичного цементита. Сплавы, находящиеся внутри области QPG состоят только из феррита. Сплавы, содержащие до 2 % углерода, называются сталью, свыше 2 % – чугуном. Сталь, содержащая 0,8 % углерода – эвтектоидная сталь, в пределах 0,02-0,80 % – доэвтектоидная (содержит феррит и перлит), в пределах 0,8-2,0 % – заэвтектоидная (содержит перлит и вторичный цементит). При содержа-

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 19 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

нии в сплаве кремния более 1,5 % вместо цементита может выделяться графит. Чугун, содержащий углерода менее 4,3 %, называется доэвтектическим, а более 4,3 % – заэвтектическим. Чугун без свободного графита, содержащий только цементит и ледебурит, называют белым (в изломе имеет белый цвет), а чугун, в котором весь углерод или его большая часть находиться в виде графита – серым (в изломе имеет серый цвет). Используя диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов и применив правило отрезков, можно определить состав и количественное соотношение структурных составляющих. Его применяют для тех областей диаграммы, в которых сплавы находятся в двухфазном состоянии. Первое положение – определение состава фаз. Допустим, в области III выбираем точку «а», характеризующую состояние данного состава. Через нее проводим горизонтальную линию до пересечения с линией диаграммы состояния, характеризующего данную двухфазную область. Точки «б» и «в» проектируют на ось концентраций. Проекция точки «в» в «в1» на ось концентраций покажет количество углерода в составе жидкой фазы. В данном случае, 5,1 % углерода содержится в жидкой фазе, а остальное в расплаве – железо. Второе положение – определение количественного соотношения фаз. Количество (масса) фаз обратно пропорционально величине отрезков, прилегающих к фазам. Отрезок «ав» будет характеризовать количество цементита по правилу обратных отрезков, а «аб» – количество жидкой фазы, так как по правилу обратных отрезков примыкает к области цементита. Следовательно, количества жидкой фазы к количеству цементита равно отношению величин отрезков «аб» к «ав». Измерив величину этих отрезков, определяют их соотношение.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 20 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Диаграмму железоуглеродистых сплавов используют для определения видов и температурных интервалов при термической обработке стали, обработки давлением и оценки литейных свойств сплава.

Лабораторная работа № 2 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Эксплуатационные свойства строительных материалов характеризуют их способность выдерживать без разрушения в течение длительного периода условия службы, для которых они предназначены. Снижение эксплуатационных свойств может быть вызвано внешними воздействиями на материал, а также внутренними процессами, происходящими в нем. Внешние физические, химические или механические воздействия на строительные материалы могут быть следствием атмосферных влияний, перепада температур, периодического замораживания и оттаивания, поглощения и испарения воды, действия растворов электролитов, природных и технологических растворов и газов. Внутренними причинами разрушения материала является взаимодействие его составных частей между собой. Особенно оно характерно для строительных бетонов: взаимодействие щелочей цемента с кремнеземом заполнителя, изменение объема из-за различия в расширении цементного камня и заполнителя при увеличении температуры, нарушение проницаемости материала. Как правило, на строительные изделия и конструкции при эксплуатации зданий и сооружений действуют одновременно сразу несколько факторов. Для строительных материалов из эксплутационных свойств наиболее важными являются морозостойкость, атмосферостойкость и водостойкость. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 21 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

1.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА

Морозостойкость – способность материала выдерживать в водонасыщенном состоянии многократное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения его прочности. Морозостойкость обуславливает долговечность строительных материалов, подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию в водонасыщенном состоянии. Поэтому правильная оценка морозостойкости имеет технико-экономическое значение для бетонов различного вида, стеновых, кровельных и других материалов. Разрушение материала при действии мороза происходит за счет того, что вода, находящаяся в порах, превращается в лед с увеличением его объема на 7-11 %. Образовавшийся лед давит на стенки материала и может приводить к нарушению его структуры. Морозостойкими считаются плотные материалы, имеющие малую открытую пористость (1-3 %). Из пористых материалов морозостойкими являются те, у которых поры мелкие, изолированные, не сообщающиеся между собой. В основе методики оценки морозостойкости лежит понятие о марке материала по морозостойкости, характеризующейся числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, при котором потеря его прочности при сжатии не превышает 15 %, а потеря массы – не более 5 %. Для плотных бетонов по ГОСТ 10060-95 снижение прочности при сжатии после замораживания должно быть менее 5 %. Марка материала по морозостойкости устанавливается с учетом вида строительной конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Строительные материалы для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35 и 50 циклов. Бетоны, применяемые в дорожном и гидротехническом строительстве, должны иметь более высокую морозостойкость – 50, 100, 150 и 200 циклов, а предназначенные для суровых условий службы – еще более высокие марки от 400 до 1000. Для различных по назначению ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 22 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

строительных материалов установлены следующие марки по морозостойкости: F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000. F – символика обозначения морозостойкости, а последующие цифры – количество циклов попеременного замораживания и оттаивания. Определение морозостойкости материалов производится на образцах кубической формы. Для ряда стеновых материалов (глиняный и силикатный кирпич или камень) испытания производятся на готовых изделиях. Оценку морозостойкости бутового камня, щебня и гравия допускается проводить на кусках горной породы неправильной формы. Размеры образцов из бетона для определения морозостойкости зависят от величины зерен применяемого крупного заполнителя: для наибольшей крупности зерен заполнителя 10, 20, 40 и 70 мм, соответственно, образцы-кубы должны иметь размеры ребра 70, 100, 150 и 200 мм. При этом число контрольных и основных образцов, а также количество циклов попеременного замораживания и оттаивания, после которых производится осмотр и испытание образцов на сжатие, устанавливаются согласно требованиям ГОСТ 10060-95 для бетонных и железобетонных изделий. Указанные требования могут быть распространены и на другие строительные материалы (табл. 1).

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 23 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Таблица 1 Проектная марка на морозостойкость Показатели

F25

F50

Число циклов, после которых образцы: - испытывают на сжатие - осматривают

25

50

25

25 и 50

75 и 100 50 и 75

3

3

6

6

6

6

6

6

3

3

9

9

9

9

9

9

6

6

15

15

15

15

15

15

Количество образцов - подлежащих замораживанию - контрольных Общее число изготовляемых образцов

F100 F150

F200

F300

F400

F500

100 и 150 и 200 и 300 и 400 и 500 400 300 200 150 75 и 125 и 175 и 250 и 350 и 450 350 250 175 125

Основные и контрольные образцы, изготовленные из бетонной смеси, испытывают на морозостойкость после 28 суток нормального твердения. Контрольные образцы до испытания на сжатие в эквивалентном возрасте хранят в камере нормального твердения, т.е. при температуре 20±2 ºС и относительной влажности воздуха 90-100 %. Методика определения морозостойкости материала заключается в следующем. Основные и контрольные образцы насыщают водой без предварительного высушивания путем выдерживания их в течение 48 ч в воде при температуре 15-20 ºС. При этом, над ними должен находиться слой воды не менее 20 мм. Насыщенные водой основные образцы помещают в морозильную камеру на специальные контейнеры или на стеллажи с расстоянием между образцами не менее 20 мм. Начало замораживания образцов считается с момента установления в камере температуры –15 ºС. Продолжительность одного замораживания образцов с размерами сторон 100-150 мм должна быть не менее 4 ч, а для образцов с размерами ребер 200 мм и выше – не менее 6 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 24 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

часов. Оттаивание образцов с размерами сторон 100-150 мм после выгрузки их из холодильной камеры производят в ванне с водой при температуре 15-20 ºС в течение не менее 4 ч. При этом их устанавливают так, чтобы каждый из образцов был окружен со всех сторон слоем воды толщиной не менее 20 мм. Перед испытанием на сжатие основные образцы подвергают внешнему осмотру с измерением площади поврежденной поверхности. Если величина поврежденной поверхности, хотя бы одной грани, прилегающей к плитам пресса при испытании на сжатие, окажется менее 10-12 % первоначальной площади грани, то дефекты должны быть устранены путем подливки густого цементного теста. Контрольные образцы бетона испытывают в возрасте, эквивалентном возрасту образцов, подвергаемых замораживанию. Эквивалентный возраст (Тэ) образцов определяется по формуле: Тэ = а + 0,2n, сут, (5) где а – продолжительность твердения образцов до начала замораживания, сутки; n – число циклов попеременного замораживания и оттаивания образцов до их испытания на сжатие. Контрольные образцы других строительных материалов испытывают на сжатие в насыщенном водой состоянии перед началом замораживания основных образцов. Для установления морозостойкости материала среднюю прочность трех образцов, подвергнутых замораживанию, сравнивают со средней прочностью контрольных образцов (бетонов в эквивалентном возрасте). Потеря прочности образцов (∆R) определяется по формуле: ∆R =

R конт - R осн ⋅ 100% (6) R конт

где: Rконт – среднее арифметическое значение предела прочности при сжатии контрольных образцов, МПа; Rосн – среднее арифметическое значение предела прочности при сжатии основных образцов после испытания на морозостойкость, МПа. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 25 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

При оценке морозостойкости по степени повреждения образцы считают выдержавшими испытание, если после требуемого числа циклов замораживания и оттаивания они не разрушаются или на их поверхности не будет обнаружено видимых повреждений: расслоение, шелушение, сквозные трещины, выкрашивание. Если прочность образцов в промежуточных циклах замораживания и оттаивания, по сравнению с контрольными, снизится на 25 % или появятся явные признаки разрушения с потерей в массе до 5 %, то испытание этих образцов прекращают. Для определения потери массы насыщенные водой образцы вытирают влажной тканью и перед определением морозостойкости взвешивают. Испытания проводят в сроки согласно табл. 1. Определение потери массы образцов (∆m) природного камня и керамических материалов, испытанных на морозостойкость, производится по формуле: ∆m =

m-m 2 m

⋅100% , (7)

где m – масса образца, высушенного до постоянной массы до испытания, г; m2 – масса образца, высушенного до постоянной массы после испытания,г. Потеря массы образцов из бетона и других материалов определяется по формуле: ∆m =

m1 - m 3 ⋅ 100% , (8) m1

где m1 и m3 – массы насыщенного водой образца соответственно до и после испытания на морозостойкость.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 26 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В отчете по испытанию строительного материала на морозостойкость студент должен указать: - описание образцов, природу материала. Для бетона состав и марка, дата изготовления образцов; - описание дефектов, обнаруженных на образцах перед испытанием; - температуру в морозильной камере во время замораживания и продолжительность ее снижения в ней после загрузки образцов до –15ºС; - дату и время проведения каждого цикла замораживания и оттаивания; - описание внешних признаков разрушения или повреждения образцов, обнаруженных во время их осмотра, и потеря в массе; - дату испытания на сжатие и возраст образцов, изготовленных из строительного бетона и раствора; - предел прочности при сжатии основных образцов после испытания на морозостойкость; - предел прочности при сжатии контрольных образцов; - определение потери прочности образцов в результате испытания; - общее заключение о морозостойкости данного материала в соответствии со стандартами и установление марки по морозостойкости. 2.

УСКОРЕННЫЙ СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛЛОВ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ Выполнение приведенной выше методики определения морозостойкости требует длительного периода времени. Для большинства строительных материалов, включая и бетон, может быть использовано ускоренное определение морозостойкости. Оно заключается в насыщении пор материала водным раствором Na2SO4 с последующим высушиванием образцов в сушильном шкафу при температуре 105 ºС. В этих условиях в порах материала кристаллизуется Na2SO4·7H2O, объем кристаллов которого больше по размерам льда. Они давят на стенки материала с большой силой, и материал разрушаГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 27 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ется быстрее. Один цикл ускоренного «замораживания» заменяет 3-5 циклов обычного испытания. Раствор сульфата натрия готовят следующим образом: 185 г безводного сернокислого натрия или 400 г кристаллического Na2SO4·7H2O растворяют в 1 л подогретой до 40 ºС дистиллированной воды путем постепенного добавления в нее сульфата натрия при тщательном перемешивании до насыщения раствора, который затем охлаждают до комнатной температуры и оставляют на двое суток. Подготовленные образцы материала заливают раствором сульфата натрия, так, чтобы они в сосуде были полностью погружены в нем, и выдерживают в растворе в течение 20ч при температуре 18-22 ºС. Затем раствор сливают (можно использовать повторно), образцы ставят на поддон или оставляют в сосуде и помещают их на 4 ч в сушильный шкаф, в котором поддерживают температуру 105±5 ºС. После этого образцы охлаждают до комнатной температуры и вновь заливают раствором. Последующие циклы испытания включают выдерживание образцов в течение 4 ч в растворе сульфата натрия, высушивание в течение 4ч и охлаждение до комнатной температуры. После 3, 5, 10 и 15 циклов образцы промывают горячей водой для удаления сульфата натрия, высушивают до постоянной массы. После этих процедур приступают к определению потерь массы и прочности, как и при обычном испытании образцов материала на морозостойкость. За их результат принимают среднее арифметическое значение двух параллельных испытаний.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 28 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3. ВОДОСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛЛОВ В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличиваются плотность и теплопроводность, у некоторых материалов, например древесины, повышается объем, а также понижается прочность вследствие нарушения связей между частицами материала за счет расклинивающего действия воды. Для оценки устойчивости строительных материалов к воде применяют коэффициент размягчения (Кразм), который рассчитывают по формуле: Кразм =

R вод , (9) R сух

где Rвод – предел прочности при сжатии материала, насыщенного водой, МПа; Rсух – предел прочности при сжатии материала в сухом состоянии, МПа. Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала. Для легких размокаемых материалов Кразм = 0, для материалов, которые полностью сохраняют свою прочность при действии воды (металл, стекло) Кразм = = 1. Строительные материалы с Кразм больше 0,8 относят к водостойким, а материалы с Кразм менее 0,8 в местах, подверженных систематическому увлажнению, применять не разрешается. 4. ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Химическая стойкость – это способность материалов сопротивляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов. Наиболее часто подвергаются действию агрессивных жидкостей и газов санитарно-технические и гидротехнические сооружения, канализационные трубы, животноводческие помещения. Не способны сопротивляться воздействию даже слабых кислот карбонатные природные каменные материалы – известняк, мрамор, доломит. Не стоек к действию концентрированных растворов щелочей битум. Наибо-

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 29 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

лее стойкими материалами по отношению к воздействию кислот и щелочей являются керамические материалы, а также изделия на основе пластмасс. Стойкость бетона на основе минеральных вяжущих веществ к действию химических агентов невысокая. Наиболее часто химическая агрессия на бетонных изделиях проявляется в результате выщелачивания продуктов гидратации цемента, воздействия сульфатов, морской воды и природных (грунтовых) вод. Характерными признаками снижения прочности и даже разрушения бетона под влиянием химических агентов являются образование на поверхности изделий белого налета (высолов) из карбоната и сульфата кальция. В ряде случаев плотность и непроницаемость бетона влияют на химическую стойкость больше, чем вид применяемого цемента. Оценка химической стойкости материала проводится по методике, заключающейся в определении изменений его физико-механических характеристик под действием агрессивной среды. Определение химической стойкости бетона проводится на тридцати образцах размером 40х40х160 мм. Через 7 суток после изготовления пятнадцать контрольных образцов помещают в воздушно-влажные условия твердения или в воду, а другую их половину – в агрессивную среду, в качестве которой применяются растворы сульфата натрия, сульфата магния или их смесь, растворы кислот, а также обычная пресная вода, подаваемая на бетон под напором. До начала испытаний бетонные образцы хранят при температуре 20±2 ºС и относительной влажности воздуха 80-100 % в течение 28, 60, 90, 180 и 360 суток твердения. Испытываются одновременно, по три образца, как контрольные, так и после выдержки в агрессивной среде в течение указанного срока. Стойкость бетона в ней оценивают по коэффициенту химической стойкости (Кхс), который определяется по формуле: Кхс =

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Rх , (10) Rо стр. 30 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

где Rх и Rо – предел прочности при изгибе или сжатии бетона, находящегося, соответственно, в агрессивной среде и воздушно-влажных условия, МПа. По полученным результатам строят график зависимости Кхс бетона от сроков твердения. Химическая стойкость керамических, природных каменных материалов, древесины определяется методом погружения. Используются, как правило, образцы материала правильной формы с площадью поперечного сечения около 50 см2. Их промывают дистиллированной водой и высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 ºС до постоянной массы. Затем образцы погружают до половины высоты в агрессивный раствор (серную кислоту или гидроокись натрия) и выдерживают в течение 48 ч при температуре окружающей среды 20±2 ºС. Далее, их вынимают из раствора и промывают дистиллированной водой, высушивают и осматривают с целью определения признаков повреждений и разрушений. Оценку химической стойкости (Х) материалов производят по формуле: Х=

m1 − m 2 , кг/м², (11) S

где m1 и m2 – масса образца материала соответственно до и после испытания, кг; S – площадь поверхности образца материала, соприкасающаяся с агрессивным раствором, м2. В случае использования образцов материала неправильной формы после выдерживания в агрессивном растворе их промывают водой, высушивают до постоянной массы, а химическую стойкость определяю по формуле: Х=(

m1 − m 2 )100 , % (12) m1

В обоих случаях за окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определе-

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 31 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ний, расхождение между которыми не должно превышать соответственно 0,08 мг/см2 и 0,5 %.

5. АТМОСФЕРОСТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ Атмосферостойкость – способность материалов и изделий сопротивляться комплексному воздействию окружающей среды при эксплуатации зданий и сооружений. Факторами их разрушения в этих условиях могут быть изменение температуры и влажности, действие различных газов, находящихся в воздухе, совместное воздействие мороза, воды и солнечных лучей. При этом изменение механических свойств материала может происходить в результате нарушения сплошности структуры (образование трещин), химических реакций с веществами окружающей среды, а также в результате изменения внутреннего состояния материала. Процесс постепенного изменения (ухудшения) свойств материалов в эксплуатационных условиях называется старением. Наиболее важными факторами атмосферного происхождения, оказывающими агрессивное действие на строительные материалы, являются попеременное

увлажнение

и

высушивание,

воздействие

СО2,

изменение

температуры. Воздухостойкость – способность материала сопротивляться действию попеременного увлажнения и высушивания. Увлажнение ряда материалов вызывает его набухание, а высушивание – усадку. Многократное повторение этих циклов способствует возрастанию необратимых остаточных деформаций, которые нарушают структуру материала, приводя в ряде случаев к трещинообразованию. Эти явления усугубляются неравномерным увлажнением (высушиванием) материала по толщине, что вызывает дополнительные напряжения.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 32 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Методика оценки стойкости материалов к действию попеременного увлажнения и высушивания применительно к цементным растворам и бетонам, древесине заключается в следующем. Изготовляются из указанных материалов образцы-призмы размером 4х4х16 см. Для измерения деформаций на их торцах устанавливают реперы. Испытанию подвергаются образцы на основе минеральных вяжущих, прошедших тепловлажностную обработку, или полученных при естественном твердении в возрасте 28 суток. Образцы из древесины должны иметь стандартную влажность, равную 15 %. Перед испытаниями образцы помещают в воду на 48 ч, затем их осматривают и определяют динамический модуль упругости, массу, длину с помощью прибора для измерения деформаций, предел прочности при изгибе и сжатии. Цикл испытаний образцов осуществляют следующим образом. Образцы насыщают водой в течение 4 ч, затем их помещают в сушильный шкаф, где при температуре 105-110 ºС высушивают в течение 15 ч, а затем охлаждают на воздухе 1 ч и снова погружают в воду. Возможно некоторое изменение по времени цикла испытания образцов: насыщение водой в течение 15 ч, высушивание при t = 105-110 ºС – 8 ч, остывание. Через каждые 25 циклов образцы осматривают и измеряют массу, пределы прочности при изгибе и сжатии, динамический модуль упругости, остаточные деформации. Если при этом не обнаружено явных признаков разрушения образцов, то циклы попеременного увлажнения и высушивания продолжают. Оценку воздухостойкости материала по потере массы (∆m) и изменению прочности (∆R) производят по следующим формулам:

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

∆m = (

m1 − m 2 )100, %, (13) m1

∆R = (

R1 − R 2 )100, %, (14) R1

стр. 33 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

где m1 и m2 – масса образца материала, соответственно, до и после определенного количества циклов испытаний, г; R1 и R2 – предел прочности при изгибе или сжатии образцов, соответственно, контрольных и после определенного количества циклов испытаний, МПа. Термическая стойкость – способность материала сопротивляться попеременному нагреванию и охлаждению. Изменение температуры материалов даже при ее положительных значениях оказывает агрессивное воздействие на структуру материалов. Многократные нагревания и охлаждения материалов, неравномерный прогрев по толщине приводят к образованию микротрещин и разрыхлению их структуры. Для определения стойкости различных строительных материалов при воздействии изменения температуры из них изготавливают образцы-призмы размером 4х4х16 см. Для оценки этого свойства для тяжелых бетонов изготавливают образцы-кубы размером 10х10х10 см. Изготовленные образцы (бетонные в возрасте 28 суток) подвергают попеременному нагреву и охлаждению по режиму: нагрев образцов в течение трех суток при температуре 105110 ºС и охлаждение в течение одних суток при 18-20 ºС. Перед испытанием у образцов определяют массу, пределы прочности при изгибе и сжатии. Контроль над изменением свойств материала производят через 25 циклов попеременного нагрева и охлаждения. При этом образцы подвергаются внешнему осмотру с регистрацией видимых признаков разрушения, а также определяют массу, пределы прочности при изгибе и сжатии. Если признаков разрушения у них не выявлено, испытания продолжают дальше. В отчете по работе отмечают количество циклов попеременного нагрева и охлаждения, при которых потеря массы не превышала 5 %, а прочность уменьшилась не более 25 %. Карбонизация – процесс взаимодействия составляющих строительных материалов (особенно бетона и раствора) с углекислым газом в естественных условиях. Концентрация CO2 в воздухе обычно 0,02-0,03 %, а внутри жилых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 34 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

помещений может достигать 0,1 %. Углекислый газ карбонизирует не только Ca(OH)2 в бетоне, но может взаимодействовать с 85 % всей его твердой фазы, в том числе гидросиликатами кальция, гидроокисью кальция и магния. Методика определения глубины карбонизированного слоя в материале колометрическим методом заключается в следующем. Бетонные или растворные образцы раскалывают, и свеже образованную поверхность скола смачивают 0,1 % спиртовым раствором фенолфталеина. В тех местах, где бетон карбонизировался, его поверхность не меняет цвета, а в местах, где сохранилась щелочная реакция, поверхность окрашивается в ярко-малиновый цвет. С помощью данного метода в строительном материале можно определить не только глубину полностью карбонизированного слоя, но и выявить частичную карбонизацию бетонов и растворов, изменяющиеся свойства материалов. Лабораторная работа № 3 ИСПЫТАНИЕ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА Керамический кирпич – изделие из искусственного каменного материала, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда определенных размеров и изготовленного путем формования и последующего обжига глины с отощающими, выгорающими, флюсующими и пластифицирующими добавками или без них. В качестве добавок, улучшающих свойства строительного кирпича, применяют кварцевый песок, кремнеземистые осадочные породы (трепел и диатомит), отходы некоторых производств промышленности, особенно от добычи и обогащения угля, золы от его сжигания, металлургические шлаки. Наряду с кирпичом изготавливают керамические камни с большей толщиной. Керамические кирпичи выпускают полнотелыми и с технологическими пустотами, объем которых составляет не более 42 %, а камни – только пустотелыми. Их применяют для кладки наружных и внутренних стен зданий и сооружений, а также кладки фундаментов и печей из полнотелого кирпича. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 35 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Формование керамических стеновых изделий осуществляют двумя способами: пластическим и полусухим. При пластическом способе из ленточного пресса непрерывно выдавливается брус глиняной массы и разрезается перпендикулярно направлению движения на отдельные кирпичи определенных размеров. Песчинки, имеющиеся в глиняной массе, при ее разрезании оставляют на поверхности разреза кирпича шероховатость и царапины. При полусухом способе производства кирпичи формуют на прессах под давлением 15-20 МПа, каждый в отдельной форме, и все их грани имеют гладкую поверхность. Способ формования кирпича можно также определить по виду технологических пустот в нем: сквозные пустоты характерны для пластического формования, а несквозные могут быть получены только при полусухом прессовании. Размеры и физико-механические свойства керамических кирпичей и камней должны удовлетворять требованиям ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические». В зависимости от размеров их подразделяются на виды (табл. 1). Отклонения от установленных размеров и показателей внешнего вида кирпича не должны превышать на одном изделии следующих значений: 1. Отклонение от размеров, мм: - по длине

5;

- по ширине

4;

- по толщине

3.

2. Непрямолинейность ребер и граней, не более, мм: - по постели

3;

- по ложку

4.

3. Отбитости углов глубиной от 10 до 15 мм, шт.

2.

4. Трещины протяженностью по постели до 30 мм, шт.: - на ложковых гранях

1;

- на тычковых гранях

1.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 36 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Таблица 1 Основные размеры керамических изделий Вид изделий Кирпич одинарный Кирпич утолщенный Кирпич модульный одинарный Кирпич модульный утолщенный Кирпич утолщенный с пустотами Камень обычный Камень модульных размеров Камень модульных размеров укрупненный Камень укрупненный

Номинальные размеры, мм длина ширина толщина 65 120 250 88 120 250 63 138 288 88 138 288 88 120 250 138 120 250 138 138 288 88 288 288 138 250 250

По прочности керамический кирпич подразделяют на марки 300, 250, 200, 175, 150, 125, 100 и 75. При этом предел прочности при сжатии и изгибе должен быть не менее значений, указанных в табл. 2. Таблица 2 Нормативные значения прочности для определения марки кирпича Предел прочности, МПа (кгс/см2), средний для 5 образцов Марка кирпича При сжатии При изгибе для всех ви- для полнотелого для полнотелого для утолдов кирпи- кирпича пласти- кирпича полусухого щенного чей и камческого формоформования и пускирпича ней вания тотелого кирпича 2,9 (29) 3,4 (34) 4,4 (44) 30,0 (300) 300 2,5 (25) 2,9 (29) 3,9 (39) 25,0 (250) 250 2,3 (23) 2,5 (25) 3,4 (34) 20,0 (200) 200 2,1 (21) 2,3 (23) 3,1 (31) 17,5 (175) 175 1,8 (18) 2,1 (21) 2,8 (28) 15,0 (150) 150 1,6 (16) 1,9 (19) 2,5 (25) 12,5 (125) 125 1,4 (14) 1,6 (16) 2,2 (22) 10,0 (100) 100 1,2 (12) 1,4 (14) 1,8 (18) 7,5 (75) 75 ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 37 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

По теплотехническим свойствам и плотности кирпич в высушенном до постоянной массы состоянии подразделяют на три группы: - эффективный, улучшающий теплотехнические свойства стен и позволяющий уменьшить их толщину. Средняя плотность кирпича этой группы не более 1400 кг/м3; - условно эффективный, улучшающий теплотехнические свойства ограждающих конструкций. Кирпич этой группы имеет плотность 1400-1600 кг/м3; - обыкновенный кирпич имеет плотность свыше 1600 кг/м3. Примеры условных обозначений: 1. Кирпич керамический рядовой полнотелый марки 150, плотностью 1700 кг/м3, морозостойкостью F25: Кирпич КР 150/1700/25/ГОСТ 530-95; 2. Кирпич керамический рядовой пустотелый марки 100, плотностью 1500 кг/м3, морозостойкостью F25: Кирпич КРП 100/1500/25/ГОСТ 530-95; 3. Кирпич керамический рядовой эффективный утолщенный марки 125, плотностью 1350 кг/м3, морозостойкостью F25: Кирпич КРЭУ 125/1350/25/ГОСТ 530-95. 1. ПРАВИЛО ОТБОРА ПРОБ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ Поставка и приемка кирпича производится партиями, объем которых устанавливают в количестве не более суточной выработки одной печи. Партия должна состоять из изделий одного вида, одной марки по прочности и морозостойкости. Для контрольной проверки на предприятиях отбирают не менее 100 штук кирпичей. Приемочно-сдаточные испытания осуществляют по следующим показаниям: - внешний вид (наличие дефектов внешнего вида); - размеры и правильность формы; ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 38 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

- предел прочности при сжатии изделий; - предел прочности при изгибе кирпичей (обязательно для марок 75 и 100). Кроме того, при изменении сырья и технологии (состав шихты, параметров формования, режимов сушки и обжига) не реже одного раза в две недели определяют: - наличие известковых включений; - предел прочности при изгибе для кирпичей марки 125 и выше; - морозостойкость (один раз в квартал). В заводской лаборатории для испытания керамических изделий количество образцов отбирают согласно табл. 3. Таблица 3 Количество образцов для испытания керамических изделий Наименование показателя Размеры и правильность формы Наличие известковых включений Масса, водопоглощение Предел прочности при сжатии: камней кирпичей Предел прочности при изгибе кирпичей Морозостойкость

Число образцов 24 5 3 5 10 5 5

При проверке размеров и правильности формы, если одно из отобранных изделий не соответствует требованиям ГОСТ 530-95, то партию принимают, но если более – она не подлежит приемке. Однако, если при испытании изделий по другим показателям получены неудовлетворительные результаты, то проводят повторные испытания изделий по этому показателю на образцах, отобранных из данной партии в количестве в два раза большем. Партию принимают, если их результаты удовлетворяют требованиям стандарта, но если не удовлетворяют, то она полностью приемке не подлежит.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 39 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В учебной лаборатории испытания керамических изделий можно проводить на 5-10 их образцах. 2.

ВНЕШНИЙ ОСМОТР И НАЛИЧИЕ ДЕФЕКТОВ В КИРПИЧЕ Для оценки внешнего вида в процессе осмотра у кирпича устанавливают точность размеров, отбитости углов и ребер, качество обжига и другие характеристики. Размеры кирпича определяются с точностью до 1 мм металлической линейкой. Для определения его длины и ширины замеры производят в трех местах – по ребрам и середине постели. Толщину изделия определяют путем замеров середины тычка и ложка. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение результатов измерения. Глубина притупленности и отбитости углов и ребер определяется с точностью до 1 мм по наибольшей длине. Искривление граней и ребер (отклонение от перпендикулярности граней кирпича) определяют стальным угольником путем приложения его к ложку и замера наибольшего зазора между тычком и внутренним краем угольника с погрешностью измерения не более 1 мм. Наличие трещин и их количество определяется по замерам по постели кирпича. Учитываются только самые опасные трещины (а), пересекающие ложок и выходящие на постель кирпича (рис. 1). Протяженность трещин по постели изделия замеряют линейкой по перпендикуляру от наиболее удаленной точки трещин до ее пересечения с ребром грани, через которую она проходит. Несквозные трещины (в) и сквозные трещины (с), пересекающие тычок, не учитывают.

Рис. 1. Оценка трещин на кирпиче ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 40 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Степень обжига устанавливают по цвету, сравнивая испытуемый кирпич с эталоном нормально обожженного кирпича. В случае отсутствия эталона, степень обжига можно оценить по звуку при ударе. Высушенный кирпич берут пальцами левой руки и по нижней части ложка наносят удар стальным молотком, который держат в правой руке (рис. 2). По чистоте звука и высоте тона устанавливают степень обжига кирпича согласно следующим данным: - звук звонкий, высокого тона, чистый – обжиг нормальный, черепок монолитный; - звук звонкий, высокого тона, дребезжащий – обжиг нормальный, черепок трещиноватый;

Рис. 2. Определение степени обжига кирпича

- звук глухой, низкого тона, чистый – недожог, черепок монолитный; - звук глухой, низкого тона, дребезжащий – недожог, черепок трещиноватый. По ГОСТ 530-95 поставка потребителю недожженных и пережженных изделий не допускается. Недожженный кирпич характеризуется низкими прочностью, морозостойкостью, долговечностью, стойкостью против агрессивной среды. Причиной возникновения недожога является низкая температура обжига, недостаточная его продолжительность, в силу чего глиняная масса плохо спекается. Пережженный кирпич характеризуется оплавлением ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 41 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

и вспучиванием поверхности, на которой могут быть темные пятна. По физико-механическим свойствам он уступает нормально обожженному кирпичу – имеет низкие прочность при изгибе и теплозащитные свойства, высокую теплопроводность. Наличие известковых включений в кирпиче определяют пропариванием изделий. Для этого образцы, не подвергшиеся воздействию влаги, укладывают на решетку, помещенную в сосуд с крышкой. Налитую под решетку воду нагревают до кипения, которое продолжают в течение часа. Затем кирпичи охлаждают в этом закрытом сосуде в течение четырех часов, после чего их вынимают и осматривают. Известковые включения, вызывающие после пропаривания изделий разрушение поверхности и отколы глубиной более 6 мм, не допускаются требованиям ГОСТ 530-95, а керамические изделия бракуются. 3.

ОЦЕНКА ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Оценку физических свойств (плотность и водопоглощение) кирпича производят по ГОСТ 7025-91 « ». Средняя плотность кирпича представляет собой отношение массы его в сухом состоянии к объему. Высушенный кирпич взвешивают с точностью до 1 г. Его объем определяют по результатам замера геометрических размеров. Среднюю плотность (ρ) кирпича вычисляют по формуле: ρ=

m ⋅ 1000 , кг/м3, (15) V

где m – масса образца кирпича, кг; V – объем кирпича, см3. Значение средней плотности изделий определяют с точностью до 10 кг/м3 .

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 42 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Водопоглощение кирпича определяют на предварительно высушенных до постоянной массы изделиях. Их укладывают в один ряд по высоте с зазорами между ними не менее 2 см на решетку в сосуд с водой, имеющей температуру 20±5 °С и уровень выше верха образцов на 2-10 см. Кирпичи выдерживают в воде 48 часов, а затем их обтирают влажной тканью и взвешивают. Массу воды, вытекшей из образца на чашку весов, включают в массу кирпича, насыщенного водой. Взвешивание каждого образца должно быть закончено не позднее двух минут после его удаления из воды. Водопоглощение (Ŵпогл) кирпича вычисляют по формуле: Wпогл =

m1 − m ⋅ 100 , % , (16) m

где m1 – масса кирпича, насыщенного водой, г; m – масса кирпича, высушенного до постоянной массы, г. Определение водопоглощения производится с точностью до 0,1 %. 4.

ФИЗИКО–МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ КИРПИЧА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ

Физико-механические свойства керамических изделий определяют по ГОСТ 8462-85 «Материалы стеновые. Методы определения прочности при сжатии и изгибе». 4.1. Определение предела прочности при сжатии Перед испытанием на сжатие монолитный кирпич распиливают на распиловочном станке или разделяют любым способом без дробления кирпича на две равные части. Обе половинки постелями накладывают одна на другую так, чтобы поверхности распила были направлены в противоположные стороны. Пустотелый кирпич не распиливают, а при испытании накладывают постелями один на другой, но при этом кирпичи с несквозными пустотами укладываются отверстиями вниз (рис. 3). ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 43 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

а

б

в

Рис. 3. Подготовка образцов для определения предела прочности при сжатии кирпича: а – монолитного, б – пустотелого со сквозными пустотами, в – пустотелого с несквозными пустотами

Перед склеиванием кирпичи или их половинки выдерживаются в воде не менее 5 минут, чтобы предупредить отсасывание ими воды из цементного раствора. Для соединения кирпичей и выравнивания их постелей применяют цементное тесто марки не выше «400» c водоцементным отношением 0,360,38. На мраморной, стеклянной, металлической или другой отшлифованной поверхности расстилают смоченный в воде лист бумаги. На этот лист наносят слой цементного теста толщиной 3-5 мм. Затем одну половинку кирпича укладывают на него и слегка прижимают, после чего верхнюю поверхность половинки покрывают тем же цементным тестом и на него укладывают вторую половинку кирпича, слегка прижимая так, чтобы оно под кирпичом распределилось равномерно по толщине. Лишнее цементное тесто срезают ножом вровень с боковыми гранями кирпичей. Через 10 мин рядом на плите расстилают второй смоченный в воде лист бумаги, на который также наносят слой цементного теста толщиной 3-5 мм. Склеенные ранее кирпичи переворачивают вниз постелью, свободной от теста, и устанавливают на цементное тесто, уложенное на втором листе бумаги. Прижимая кирпич к плите, выравнивают слой цементного теста под ним и срезают избыток теста ножом. Изготовленный таким образом образец должен быть близок по форме к кубу. Необходимо, чтобы плоскости образца были взаимно параллельны и перпендикулярны боковым граням, что провеГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 44 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ряют угольником. Образцы до испытания следует выдерживать в лаборатории во влажных условиях в течение 3-4 суток для затвердевания цементного теста, после чего их испытывают на сжатие. Перед испытанием измеряют площадь поперечного сечения образца (с точностью до 1 см2), которая равна произведению результатов двух взаимно перпендикулярных измерений по плоскости склейки половинок кирпича. При определении предела прочности при сжатии образец устанавливают на нижнюю опору гидравлического пресса так, чтобы геометрический центр образца совпал с центром опоры. При этом верхняя плита пресса должна плотно прилегать к верхней постели образца. Затем включают гидравлический пресс, который равномерно передает давление на образец, доводя его до разрушения. Значение разрушающего усилия фиксируют по показанию контрольной стрелки циферблата пресса. Предел прочности при сжатии (Rсж) кирпича определяют по формуле: Rсж =

P , МПа (кгс/см2), (17) S

где Р – разрушающая нагрузка, Н (кгс); S – площадь, м2 (см2). 4.2. Определение предела прочности при изгибе Испытуемый кирпич предварительно выдерживают в воде не менее 5 мин, а затем на его постели наносят полоски из цементного теста шириной 20-30 мм, одну посредине верхней постели поперек ее под опору, передающую нагрузку, и две полоски в местах опирания образца на нижние опоры. Порядок нанесения и выравнивания полосок из цементного теста на кирпич аналогичен описанному выше при подготовке кирпича к испытанию на сжатие. Если в кирпиче есть трещины, то полоски располагают так, чтобы самые значительные трещины при испытании оказались на нижней поверхности образца. При испытании пустотелых кирпичей несквозные технологические пустоты должны располагаться в нижней зоне образца. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 45 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания на гидравлическом прессе целого кирпича, уложенного на две опоры с сосредоточенной нагрузкой в средине пролета, равного 200 мм (рис. 4). Нижние и верхняя опоры должны быть в виде цилиндрических катков диаметром не более 20 мм, длиной не менее ширины кирпича. Перед испытанием измеряют размеры поперечного сечения кирпича по середине пролета с точностью до 1 мм. Нагрузка на образец должна подаваться непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение не ранее чем через 30-60 с после начала испытания.

Рис. 4. Схема испытания кирпича на изгиб

Предел прочности при изгибе (Rизг) кирпича вычисляют по формуле: Rизг =

3РA , МПа (кгс/см2), (18) 2 2bh

где Р – разрушающая нагрузка, Н (кгс); A – расстояние между осями опор, м (см);

b – ширина образца, м (см); h – высота образца посредине пролета без выравнивающего слоя, м (см). Предел прочности при изгибе вычисляют с точностью до 0,1 МПа. По полученным значениям пределов прочности при сжатии и изгибе определяют марку кирпича. Для этого результаты испытания сопоставляют с нормативами по различным маркам, изложенным в ГОСТ 530-95 (табл. 2).

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 46 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Отчет по лабораторной работе № 2 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Фамилия студента Группа Дата выполнения работы 1. Определение морозостойкости материалов Краткое описание методики выполнения работы. Результаты исследований вносят в табл. 1-4. Таблица 1 Режимы проведения испытаний материала на замораживание в морозильной камере № п/п

Вид материала

Время на- Время, за- Продолжительность Время, засыщения траченное на замораживания, ч траченное образцов установлена оттаиваводой, ч ние t=-15 ºС, ние образч цов, ч

Таблица 2 Результаты испытания контрольных образцов материала № п/п

Вид ма- Разметериала ры образцов, их форма

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

Эквивалентный возраст контрольных образцов, сут

Масса образцов, г Предел прочности на сжатие, МПа перво- в эквиначаль- валентная ном возрасте

перво- в эквиначаль- валентная ном возрасте

стр. 47 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Таблица 3 Результаты испытаний образцов на морозостойкость № Вид мап/п териала

Количество циклов замораживания

Показатели Изменение массы, г внешнего первопосле осмотра началь- испытаная ния

Предел прочности на сжатие, МПа

Таблица 4 Сводная таблица испытания материала на морозостойкость № п/п

Вид ма- Количесттериала во циклов заморажив ания

Признаки разрушения образцов

Потеря массы г

%

Снижение прочности МПа %

Вывод: студент приводит общее заключение о морозостойкости материала. 2. Ускоренный способ испытания материала на морозостойкость Краткое описание методики выполнения работы. Результаты исследований заносят в табл. 5. Таблица 5 Результаты испытания материала на морозостойкость ускоренным способом № Вид ма- Контрольп/п териала ные образцы m, г Rсж, МПа

Количество циклов F3 F5 m, г Rсж, m, г Rсж, МПа МПа

Потеря Снижемассы, ние % прочности, %

Вывод: студент приводит заключение о морозостойкости материала по ускоренному способу «замораживания». ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 48 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3. Водостойкость материалов Краткое описание методики определения водостойкости материала. Вид материала – Полученные результаты: - масса образца материала в сухом состоянии m1 = - масса образца после насыщения материала водой в течение 4 ч m2 = - потеря массы образца после водонасыщения Дm =

m 2 - m1 ⋅ 100 = m1

- предел прочности при сжатии образца материала в сухом состоянии Rсух = - предел прочности при сжатии образца материала после насыщения водой в течение 4 ч Rвод = - коэффициент водостойкости материала Кразм =

R вод = R сух

Вывод: студент приводит заключение о водостойкости строительного материала. 4. Химическая стойкость бетона Краткое описание методики определения химической стойкости растворных и бетонных образцов. Обратить внимание на размеры, возраст и условия испытания контрольных и исследуемых образцов. Указать виды применяемых агрессивных сред. Результаты исследований заносят в табл. 6.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 49 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Таблица 6 Результаты испытаний бетонных (растворных) образцов на химическую стойкость в агрессивных средах через 28 сут После водонасыщения mо, г Rо , МПа

В растворе NaCI В растворе Na2SO4 mх, г Rх, МПа mх, г Rх, МПа

В растворе Na2SO4 + NaCI mх, г Rх, МПа

Коэффициент химической стойкости бетона (раствора): Кхс =

Rх = Rо

Вывод: студент приводит заключение о химической стойкости бетонных (растворных) образцов в условиях исследованных агрессивных сред. 5. Химическая стойкость древесины, керамики и природных каменных материалов Краткое описание методики испытания образцов, имеющих правильные геометрические формы, методом погружения. Результаты исследований заносят в табл. 7 Таблица 7 Результаты испытания материалов на химическую стойкость № Вид п/п материала

Площадь образца, см2

Время Агрессивная Масса образца, г выдержив среда до ис- после ания, ч пытания испытания

Кхс, кг/м2

Вывод: студент приводит заключение о химической стойкости исследуемых материалов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 50 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

6. Воздухостойкость материалов Краткое описание методики испытания материала на определение Воздухостойкости В учебной лаборатории для материалов проводят 5 и 10 циклов попеременного увлажнения и высушивания. Результаты исследований заносят в табл. 8. Таблица 8 Результаты определения воздухостойкости материалов № п/п

Вид материала

Размеры образцов, мм

До испытания R1, m1, г МПа

После испытания, циклов 5 10 m2, R2, m2, R2, г МПа г МПа

∆m = (

m1 − m 2 )100 = m1

∆R = (

R1 − R 2 )100 = R1

Вывод: студент приводит заключение о воздухостойкости исследуемых материалов.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 51 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

7. Термическая стойкость материалов Краткое описание методики испытания материала на определение термической стойкости с указанием для него определенного количества циклов нагревания и охлаждения. Результаты исследований заносят в табл. 9. Таблица 9 Результаты определения термической стойкости материалов № п/п

Вид материала

Размеры образцов, мм

До испытания После испытания m1, г R1, МПа m2, г R2, МПа

∆m = (

m1 − m 2 )100 = m1

∆R = (

R1 − R 2 )100 = R1

Вывод: студент приводит заключение о термической стойкости исследуемых материалов.

8. Карбонизация материалов Краткое описание колометрического метода определения глубины карбонизированного слоя в материале с указанием его вида и срока твердения. Визуально и с помощью штангенциркуля измерить глубину карбонизированного слоя, зарисовать сечение образца, на котором выделить его расположение.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 52 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Отчет по лабораторной работе № 3 ИСПЫТАНИЕ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА Фамилия студента Группа Дата выполнения работы 1. Правила отбора проб для испытания Краткое описание методики отбора проб кирпича для испытания в учебной лаборатории. 2. Внешний осмотр и наличие дефектов в кирпиче Вид кирпича – Способ его формования – Результаты внешнего осмотра кирпича заносят в табл. 1, в которой необходимо отметить значения показателей, неудовлетворяющих требованиям ГОСТ 530-95. Таблица 1 Результаты внешнего осмотра образцов кирпича Наименование показателя

Номер кирпича

Геометрические размеры, мм: - длина - ширина - толщина Искривление граней и ребер, мм: - по постели - по ложку Число отбитостей и притупленностей размером, шт.: - менее 15 мм - более 15 мм Число сквозных трещин через ложок размером, шт: - до 30 мм - более 30 мм Масса кирпича, г Степень обжига и монолитность керамического черепка Стандартность кирпича ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 53 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вывод: не удовлетворяют требованиям ГОСТ 530-95 кирпичи №

.

3. Средняя плотность керамических изделий Краткое описание методики определения средней плотности кирпича. В испытаниях участвует один стандартный кирпич. Полученные результаты: - масса образца в сухом состоянии m1 = - объем кирпича V = Средняя плотность керамического кирпича ρ=

m ⋅ 1000 = V

Вывод: Испытанный кирпич относится к группе – 4. Водопоглощение Краткое описание методики определения. В испытаниях участвует один стандартный кирпич. Полученные результаты: - масса кирпича, насыщенного водой, m1 = - масса кирпича, высушенного до постоянной массы, m = Водопоглощение кирпича Wпогл =

m1 − m ⋅ 100 = m

Вывод: Испытанный кирпич по величине водопоглощения (не) удовлетворяет требованиям ГОСТ 530-95.

5. Предел прочности при сжатии Краткое описание методики определения, включая рисунок образца кирпича, подготовленного для испытания на сжатие. Полученные результаты: - площадь поперечного сечения образца S = - разрушающая нагрузка Р = ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 54 из 56

Капустин Ф.Л., Спиридонова А.М.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предел прочности при сжатии кирпича Rсж =

P = S

Вывод: По пределу прочности при сжатии испытанный кирпич относится к марке

6. Предел прочности при изгибе Краткое описание методики определения, включая схему испытания кирпича на изгиб. Полученные результаты: - расстояние между осями опор A = - ширина образца b = - высота образца h = - разрушающая нагрузка Р = Предел прочности при изгибе кирпича Rизг =

3РA = 2bh 2

Вывод: По пределу прочности при изгибе испытанный кирпич относится к марке Заключение: Испытанный кирпич (не) удовлетворяет требованиям ГОСТ 530-95 (указать причины непригодности). Марки кирпича –

. Привес-

ти условное обозначение кирпича.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005

стр. 55 из 56

Учебное электронное текстовое издание Капустин Федор Леонидович Спиридонова Ангелина Михайловна

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Редактор Компьютерная верстка

Е.А. Сенкевич Е.А. Сенкевич

Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Разрешен к публикации 29.07.05 Электронный формат – PDF Формат 60х90 1/8 Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: [email protected] Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru