Материал: Механика прочности и разрушения материалов и конструкций. методические указания к выполнению лабораторных работ для бакалавров направления 08.03.01 и 27.03.01. Славчева Г.С., Верлина Н.А

2.3. Оборудование, инструменты и материалы:

1. Емкость для приготовления смеси.

2. Формы-кубы (с ребром 50 или 70 мм).

3. Мерные цилиндры на 500 и 1000 мл.

4. Весы торговые с пределами взвешивания до 10 кг.

5. Мерный цилиндрический сосуд вместимостью 1л.

6. Набор сит по ГОСТ 3584-86.

7. Металлические линейки по ГОСТ 427-75*.

8. Пресс гидравлический – УММ-20.

9. Минеральное вяжущее вещество (портландцемент, гипс или др.).

10. Мелкий заполнитель (кварцевый песок или т.п.).

2.4. Рабочее задание

Произвести оценку пористости и предела прочности при сжатии образцов мелкозернистого бетона с различным объемным содержанием зернистых включений, которое обеспечивает изменение типа цементации в структуре композиционного материала. В качестве матрицы принимается материал, получаемый в первой лабораторной работе, включениями являются зерна песка. На основании полученных результатов работы проводится анализ влияния типа цементации на параметры структуры (пористость), прочность композиционных материалов и количественная оценка использования потенциала прочности матрицы в прочности композита.

2.5. Порядок выполнения работы

В начале работы проводится определение зернового состава, модуля крупности, объемной насыпной массы и пустотности песка согласно ГОСТ 8735- 93 «Песок для строительных работ. Методы испытаний».

Исходя из величины пустотности песка (V_пуст), рассчитывают состав смеси с различным коэффициентом избытка матричного материала (К_изб=V_М/V_пуст). Величина К_изб принимается равной 0,9; 1,1 и 1,6. Подгруппа разбивается на 3 звена, каждое звено работает со своей величиной К_изб. Величина водовяжущего отношения принимается постоянной для всех серий образцов по результатам лабораторной работы №1. Расчет составов на 1 м³ смесей производится исходя из следующих соотношений:

(2.1)

где V_М – объем матричного материала в 1 м³ смеси,

V_вяж - объем вяжущего в 1 м³ смеси,

V_в - объем воды в 1 м³ смеси.

Для расчета материалов на 1 м³ смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом:

где m_в - масса воды, кг;

m_вяж - масса вяжущего вещества, кг;

_вяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м³;

_в – истинная плотность воды, кг/м³.

Затем из уравнения (2.3) находят массу вяжущего.

Расход включений (m_вк) в кг/м³ рассчитывают, исходя из соотношений:

(2.4)

где _вк - истинная плотность зерен включений, кг/м³;

V_вк - объем включений в 1 м³ смеси.

После проведения расчетов каждое звено формует серию из шести образцов-кубов со стороной ребра 5 см (7см). Серии образцов отличаются величиной коэффициента избытка матричного материала. После твердения (условия твердения для всех смесей должны быть одинаковыми) образцы высушивают до постоянной массы и подвергают техническим испытаниям: их измеряют, взвешивают, а затем испытывают на прочность при сжатии.

2.6. Содержание и результаты работы

Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью 0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносятся в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Результаты испытаний

При анализе полученных результатов для каждой серии образцов рассчитываются следующие параметры структуры: объемная доля пор и твердой фазы (матричного материала и включений) в 1 м³ мелкозернистого бетона (см. лабораторную работу №1). По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы в прочности композита К_ипп по формуле:

К_ипп=R_к/R_м, (2.5)

где R_к – предел прочности при сжатии композиционного материала,

R_м – предел прочности при сжатии матрицы.

Результаты расчетов заносят в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Характеристика параметров структуры и свойств мелкозернистого бетона

2.7. Выводы

На основе данных табл. 2.2 строят графические зависимости:

1) величины пористости мелкозернистого бетона от К_изб матричного материала: V_п = f(К_изб);

2) предела прочности при сжатии от К_изб матричного материала: R_сж = (К_изб);

3) коэффициента использования потенциала прочности матрицы в прочности композита от К_изб матричного материала: К_ипп= f(К_изб).

На основании анализа полученных графических зависимостей делается заключение о влиянии типа цементации на величину пористости и прочность композиционного материала.

лабораторная работа № 3

Изучение влияния типов цементации и гранулометрического состава макровключений (зерен крупного заполнителя) на структуру

и свойства композиционного строительного материала

3.1. Цель работы:

Исследование влияния фракционного состава и содержания зерен крупного заполнителя на структуру и свойства композиционного строительного материала.

3.2. Контрольные вопросы

1. Какие элементы структуры выделяются на макромасштабном уровне строения строительного композиционного материала?

2. Как классифицируются включения по форме и размеру?

3. Какие существуют варианты пространственной ориентации включений в матрице?

3.3. Оборудование, инструменты и материалы:

1. Емкость для приготовления смеси.

2. Формы-кубы (с размером ребра 100 мм).

3. Мерные цилиндры на 500 и 1000 мл.

4. Весы торговые с пределами взвешивания до 10 кг.

5. Мерные цилиндрические сосуды вместимостью 5; 10; 20 и 50 л.

6. Набор сит с отверстиями диаметром 3; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30 мм.

7. Пресс гидравлический – УММ-20.

8. Минеральное вяжущее вещество (портландцемент, гипс или др.).

9. Мелкий заполнитель (кварцевый песок или т.П.).

10. Крупный заполнитель (гранитный щебень, керамзитовый гравий и др.).

3.4. Рабочее задание

Произвести оценку пористости и предела прочности при сжатии образцов плотного бетона с различным объемным содержанием зерен крупного заполнителя. В качестве матрицы принимается мелкозернистая смесь оптимального состава (по данным лабораторной работы №2). Включениями являются зерна крупного заполнителя (гранитного щебня) различного фракционного состава. На основании полученных результатов работы проводится анализ влияния объемного содержания крупного заполнителя различного фракционного состава на прочность композиционного материала и использование потенциала прочности матрицы в прочности композита.

3.5. Порядок выполнения работы

В начале работы необходимо определить зерновой состав крупного заполнителя (щебня или гравия) смешанной фракции согласно ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний». Звенья студенческой подгруппы работают с крупным заполнителем определенной фракции: два звена используют крупный заполнитель монофракционного состава различной крупности, одно звено использует заполнитель полифракционного состава.

Каждое звено определяет объемную насыпную массу и пустотность крупного заполнителя своей рабочей фракции согласно ГОСТ 8269.0-97. Исходя из величины пустотности заполнителя (V_пуст) различных фракций, производится расчет составов смесей с различным коэффициентом избытка матричного материала (К_изб). Каждое звено рассчитывает составы бетонной смеси для К_изб = 0,9; 1,1; 1,6. Величина водовяжущего отношения, величина соотношения массовых долей мелкого заполнителя и вяжущего вещества в составе матрицы принимаются постоянными для всех серий образцов и задаются согласно результатам лабораторных работ №1 и №2.

Расчет составов на 1 м³ смесей производят посредством следующих соотношений:

(3.1)

где V_М – объем матричного материала в 1 м³ смеси,

V_вяж - объем вяжущего в 1 м³ смеси,

V_МЗ – объем мелкого заполнителя в 1 м³смеси,

V_в - объем воды в 1 м³ смеси.

Д ля расчета расхода материалов на 1 м³ смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом: