Материал: Стойкость и долговечность конструкционных, функциональных и специальных строительных материалов. методические указания к выполнению лабораторных работ. Козодаев С.П., Ткаченко Т.F

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОСТОЙКОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Цель работы

1. Изучить методику определения термостойкости строительных материалов по изменению их прочностных показателей.

2. Определить коэффициент термической стойкости различных строительных материалов.

4.2. Краткие теоретические сведения

Термостойкость - это способность материала противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям, обусловленным изменением температуры при нагреве (свыше 200 ^оС) или охлаждением. Термостойкость зависит от коэффициента термического расширения и теплопроводности материала, его упругих и других свойств, а также от формы и размеров изделия.

Термостойкость строительного материала зависит от габаритов и формы изделия, от его упругости, теплопроводности и коэффициента термического расширения. Эти зависимости являются основными критериями термостойкости. На практике термостойкость материала оценивают обычно числом теплосмен (циклов нагрева и охлаждения), выдерживаемых образцом до появления трещин, частичного или полного разрушения, либо температурным градиентом, при котором возникают трещины.

Факторами возможного разрушения материала под действием высоких температур являются:

1) проявление макроградиентности при нагревании материала;

2) проявление микроградиентности теплового и деформационного состояния компонентов в структуре материала из-за различия их коэффициента линейного температурного расширения;

3) термическое разложение (например, дегидратация продуктов твердения цементного бетона);

4) термический полиморфизм компонентов материала.

Всё это создаёт условия как для химического разрушения компонентов, так и для разрыва внутренних связей из-за появления внутренних напряжений.

Например, использование в составе бетонной смеси шлакового заполнителя позволяет добиться не только высокой термостойкости цементного бетона, но и его прочности. Применение мелкозернистого песка из шлаковой пемзы в качестве наполнителя повышает плотность и термостойкость бетона, так как использование шлаковой пемзы обеспечивает устойчивость бетона к нагревам и резким перепадам температур, благодаря наличию в смеси более 50 % стеклофазы.

4.3. Оборудование, инструменты и материалы

Весы торговые с пределом взвешивания до 10 кг; гири; весы технические с точностью взвешивания до 0,1 г; емкости для взвешивания материала; совки; шпатели; кельмы; формы-кубы групповые по 6 штук в форме (размер куба 505050 мм) (2 шт.); мерные цилиндры емкостью 250, 1000 мл; лабораторный смеситель турбинного типа; лабораторная виброплощадка; сушильные шкафы с регулированием температуры от 50 до 110 ^оС (2 шт.); муфельная печь; пресс гидравлический УММ-20 с усилием до 200 кН.

Портландцемент; гипсовое вяжущее; вода водопроводная.

4.4. Методика определения термостойкости

Лабораторная подгруппа делится на 2 звена. Каждое звено формует образцы-кубы размером 505050 мм (по 6 образцов из каждого вида вяжущего), для чего:

1) собирают 6-секционные формы размером 505050 мм, смазывают их стенки и дно тонким слоем смазочного материала;

2) готовят этикетки для образцов со следующими данными: дата изготовления образца; номер лабораторной работы, для которой отформован образец; номер группы и подгруппы студентов;

3) производят замес материалов с водой в лабораторном смесителе турбинного типа, укладывают смесь в формы, уплотняют с помощью лабораторной виброплощадки, этикетируют образцы, накрывают формы стеклом (полиэтиленом, мокрой тканью) и оставляют твердеть в естественных условиях.

Распалубливают формы с образцами через 1 сутки твердения.

Рекомендуемые составы смесей приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Составы смесей

После набора требуемой прочности образцы-кубы испытывают. Для этого все образцы на основе каждого вида вяжущего делят на две партии. Через 28 суток твердения первую партию образцов высушивают до постоянной массы, причем образцы на основе портландцемента высушивают при температуре 105 ^оС, а на основе гипса – при 45–55 ^оС. Вторую партию образцов подвергают термической обработке при температуре 250 ^оС в течение 120 мин. После этого все образцы испытывают на прочность при сжатии с помощью гидравлического пресса УММ-20.

Коэффициент термической стойкости (К_Т) материалов рассчитывают по формуле

(4.1)

где – среднее значение предела прочности при сжатии материала после

термического воздействия, МПа;

– среднее значение предела прочности при сжатии материала в

высушенном состоянии, МПа.

5. Результаты выполнения работы

Результаты испытаний образцов и необходимых расчетов, полученные всеми звеньями, заносят в табл. 4.2.

4.6. Выводы

По результатам анализа полученных значений коэффициента термической стойкости делают вывод о термостойкости испытанных материалов.

Контрольные вопросы

1. Что такое термостойкость материала?

2. По каким критериям оценивают термостойкость строительных материалов?

3. Какие фазовые изменения происходят в структуре портландцементного и гипсового камня при их термической обработке?

Библиографический список

1.Физико-химические и технологические основы жаростойких цементов и бетонов. – М: Наука,1986. – 188 с.

2. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам, 1989. – 13 с.

3. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме, 1999. – 9 с.

Таблица 4.2

Результаты определения прочности материала и его коэффициента термической стойкости

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ПО КРИТЕРИЮ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

(на примере силикатного бетона)

1. Цель работы

1. Изучить методику определения критического коэффициента интенсивности разрушения (К_1с) строительных материалов.

2. Определить экспериментально показатель трещиностойкости силикатного бетона по критическому коэффициенту интенсивности его разрушения (вязкости разрушения).

5.2. Краткие теоретические сведения

Образование трещин на строительных конструкциях отрицательно отражается на их долговечности, несущей способности и внешнем виде. Трещины — результат напряжений и деформаций, возникающих при действии механических нагрузок на конструкции, больших температурных и влажностных перепадов в смежных зонах тела материала, а также некоторых других факторов. Образование трещин на конструкциях зависит как от значения температурно-влажностных градиентов, так и от свойств материала и, в частности, прочности, модуля упругости, предельной растяжимости, показателей усадки, ползучести и др. Определенное значение имеют размер и форма изделий и конструкций.

Трещиностойкость – [cracking resistance] — способность материала сопротивляться развитию трещин (разрушению) при однократном, циклическом и замедленном разрушении. В механике разрушения к основным характеристикам трещиностойкости относят: критическое значение коэффициента интенсивности напряжений; критическое раскрытие берегов трещины в тупиковой части; работу, которую нужно затратить на образование трещины. Наиболее надежную оценку трещиностойкости материалов дают испытания образцов с предварительно нанесенной усталостной трещиной, поскольку это наиболее распространенный опасный дефект конструкции.

Рост трещины начинается, если коэффициент интенсивности напряжения или его размах (при циклическом нагружении) превышает некоторый порог и состоит из трех стадий: нарастающей скорости роста, стабильного относительно медленного ее распространения и ускорения развития трещины, заканчивающегося разрушением конструкции. Кинетику разрушения описывают диаграммами в координатах: длина трещины — число циклов или время при циклическом нагружении; длина трещины — время при длительности статичного нагружения. Кинетические параметры разрушения позволяют прогнозировать работоспособность материалов в конструкциях.

Например, цементы с приблизительно одинаковыми показателями усадки могут значительно различаться по трещиностойкости. Полагают, что цементы с пониженной скоростью твердения характеризуются меньшей склонностью к трещинообразованию, поэтому судить о трещиностойкости того или иного цемента только по показателям его усадки нельзя.

5.3. Оборудование, инструменты и материалы

Ножовочное полотно; линейка металлическая; термометр; влагомер; весы торговые с пределом взвешивания до 10 кг; весы технические с точностью взвешивания до 0,1г; сушильные шкафы с регулированием температуры от 50 до 110 ^оС (2 шт.); пресс гидравлический УММ-20 с усилием до 200 кН.

Газосиликатный блок.

5.4. Методика определения трещиностойкости

1. Из массива газосиликатного блока выпиливают с помощью ножовочного полотна образцы двух типоразмеров: образцы-балочки 4040160 мм (3 образца) и образцы-призмы размером 4080340 мм (6 образцов), чтобы направление приложения нагрузки на образец было перпендикулярно направлению вспучивания ячеистобетонной массы (рис. 5.1). Образцы также можно изготовить, используя формы необходимых размеров.

2. Образцы маркируют на грани образца с указанием следующих данных: дата изготовления образца; номер лабораторной работы, для которой изготовлен образец; номер группы и подгруппы студентов. Маркировка не должна повреждать образец и влиять на результаты испытания.

На образцы - призмы наносят надрез по схеме, представленной на

рис. 5.2.

Надрез выполняет роль инициатора развития магистральной трещины в образце при нагружении его по схеме трехточечного сосредоточенного изгиба. Надрезы наносят при помощи режущего инструмента или при формовании образцов путем закладывания фольги либо металлической пластины. Ширина надреза не должна превышать половины диаметра заполнителя и быть не более 2 мм.

Образцы высушивают до постоянной массы, измеряют и взвешивают. Рассчитывают значение средней плотности (ρ) каждого образца по формуле

(5.1)

где m – масса образца, г;

V – объем образца, см³.

Затем вычисляют среднее значение средней плотности материала.

Образцы-балочки 4040160 мм испытывают на прочность при изгибе и сжатии с помощью пресса УММ-20. Рассчитывают средние значения предела прочности при изгибе и сжатии образцов.

Образцы-призмы 4080340 мм с надрезом испытывают на вязкость разрушения. Перед началом испытаний следует провести два цикла нагружения-разгружения до нагрузки, составляющей 10 % ожидаемой максимальной нагрузки. Скорость нагружения образца устанавливают по скорости перемещения нагружающей плиты пресса в пределах 0,02 – 0,2 мм/с; при этом время испытания должно составлять не менее 1 мин. Затем образец нагружают непрерывно вплоть до его разделения на части с фиксацией нагрузки, соответствующей динамическому началу движения магистральной трещины (F_с).