close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

92.376 Механика прочности и разрушения материалов и конструкций

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технологии строительных изделий
и конструкций
МЕХАНИКА ПРОЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
для студентов, обучающихся специальностям
270106 - «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»
и 200503 - «Стандартизация и сертификация»
ВОРОНЕЖ -2009
Составители Г.С. Славчева, Н.А. Верлина
УДК 691:620.18(07)
ББК
Механика прочности и разрушения материалов и конструкций [Текст]:
метод. указ. к выполнению лаб. работ для студ. спец. 270106 и 200503 / Воронеж.
гос. арх. – строит. ун-т; сост.: Г.С. Славчева, Н.А. Верлина. - Воронеж, 2009.- 25
с.
Предназначены для выполнения лабораторных работ по курсу «Механика
прочности и разрушения материалов и конструкций». Позволяют изучить основные закономерности взаимосвязи между составом, структурой и свойствами композиционных строительных материалов, а также освоить методику проектирования составов композиционных строительных материалов.
Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 270106
«Производство строительных изделий и конструкций» и 200503 «Стандартизация
и сертификация».
Табл. 12. Библиогр.: 6 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
Рецензент – Т.И. Шелковникова, к.т.н., доц. кафедры материаловедения и
технологии строительных материалов ВГАСУ
2
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Механика прочности и разрушения материалов и конструкций» решают задачу закрепления теоретических знаний в области материаловедения строительных композитов, развития практических навыков по изучению структуры и свойств
строительных композиционных материалов, освоению методов управления свойствами и методиками проектирования состава композиционных материалов.
В предлагаемом цикле лабораторных работ студент должен:
1) изучить основные закономерности взаимосвязи между составом, структурой и свойствами композиционных строительных материалов последовательно по масштабным уровням их структуры;
2) изучить методику проектирования составов композиционных строительных материалов в зависимости от задаваемых параметров структуры.
Лабораторные работы рассчитаны на 36 часов лабораторных занятий. Принято следующее распределение часов на выполнение данных лабораторных работ.
Таблица 1
Номер
работы
Наименование работы
1
Изучение структуры и свойств
строительных материалов
Изучение влияния типов цементации на свойства композиционных строительных материалов
Изучение влияния типов цементации и гранулометрического состава макровключений (зерен крупного заполнителя) на структуру
и свойства композиционного строительного материала
Изучение влияния объемной доли макропор на структуру и
свойства композиционного строительного материала
Изучение влияния объемной доли волокнистых включений на
структуру и свойства композиционного строительного материала
Изучение комплексного влияния типов цементации и состава
матрицы на структуру и свойства композиционного строительного материала
2
3
4
5
6
Объем
работы,
ч
матрицы композиционных
8
8
8
6
6
6
Подготовка к каждой лабораторной работе включает изучение лекционного
материала в соответствии с перечнем контрольных вопросов, представленных в
настоящих методических указаниях.
По выполненным лабораторным работам составляется отчет, который защищается перед преподавателем. В отчете необходимо представить:
1) название работы;
3
2) цель работы;
3) перечень используемого оборудования и материалов;
4) методику выполнения работы;
5) результаты работы в виде необходимых расчетов, таблиц, графических
зависимостей;
6) выводы.
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ
И СВОЙСТВ МАТРИЦЫ
КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Цель работы:
1. Освоение методики оценки параметров структуры и свойств неорганической матрицы композиционных строительных материалов;
2. Исследование влияния параметров структуры на физико-механические
свойства матрицы композиционных строительных материалов.
1.2. Контрольные вопросы
1. Что называют композиционными строительными материалами?
2. Какой совокупностью параметров структуры характеризуются композиционные строительные материалы?
3. Какими показателями оценивают основные физико-механические свойства
композиционных строительных материалов?
1.3. Оборудование, инструменты и материалы:
1. Емкости для приготовления смеси.
2. Формы-призмы 4×4×16 см.
3. Мерные цилиндры на 500 мл.
4. Весы торговые с пределами взвешивания до 10 кг.
5. Металлические линейки по ГОСТ 427-75.
6. Пресс гидравлический – УММ-20.
8. Минеральное вяжущее вещество (портландцемент, гипс или др.).
1.4. Рабочее задание
Произвести оценку пористости и предела прочности при сжатии и изгибе
образцов цементного (гипсового и др. вяжущего) материала с разным водовяжущим отношением. На основании полученных результатов работы проводится
анализ влияния водовяжущего отношения на параметры структуры (пористость)
и прочностные характеристики матрицы композиционных материалов.
1.5. Порядок выполнения работы
Подгруппа студентов разбивается на три звена. Каждое звено производит
расчет состава матрицы, исходя из задаваемой величины водовяжущего отноше4
ния, которое указываются преподавателем.
Состав матрицы и расход материалов на 1 м3 при заданном водовяжущем
отношении (В/Вяж) рассчитывают, принимая некоторые допущения, исходя из
следующих зависимостей:
Vвяж+Vв=1;
mв/mвяж=В/Вяж,
(1.1)
где Vвяж- объем вяжущего вещества, м3;
Vв - объем воды, м3;
mв - масса воды, кг;
mвяж - масса вяжущего вещества, кг.
Для расчета материалов на 1 м3 смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом:
m вяж
+
m вяж
+
ρ вяж
ρ вяж
mв
ρв
В
(1.2)
= 1,
Вяж
⋅ m вяж
ρв
= 1,
(1.3)
где ρвяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м3,
ρв – истинная плотность воды, кг/м3.
Затем из уравнения (1.3) находят массу вяжущего вещества, в соответствии
с заданным водовяжущим отношением определяют массу воды.
Каждое звено формует 2 серии образцов, отличающиеся величиной водовяжущего отношения. Серия состоит из 3 образцов-призм размером 4×4×16 см. Образцы всех серий, формуемые подгруппой, должны иметь одинаковые размеры.
Твердение отформованных образцов всех серий осуществляется в одинаковых условиях, задаваемых преподавателем. После твердения образцы высушивают до
постоянной массы и подвергают техническим испытаниям: их измеряют, взвешивают, а затем испытывают на прочность при изгибе и сжатии. Для оценки структуры матрицы рассчитывается относительный объем микропор и объем твердой
фазы в единице ее объема.
После проведения испытаний образцов микробетона для каждого образца
рассчитывают предел прочности при изгибе и сжатии и объемную долю пор
(Vпор). Для расчета объемной доли пор применяют формулу:
ρ
(1.4)
Vпор = 1 − м ,
ρи
где ρм - средняя плотность матрицы в сухом состоянии, кг/м3;
ρи - истинная плотность матрицы в сухом состоянии, кг/м3.
1.6. Содержание и результаты работы
Результаты испытаний заносят в табл. 1.1.
5
Таблица 1.1
Результаты испытаний
В/Вяж Масса ГеометриСреднее знаСредняя
серии образца, ческие Объем
чение средплотность
размеры образкг
образней плотнообразца,
образца, м ца, м3
цов
сти образцов
3
кг/м
в серии, кг/м3
Предел прочОбъемРазрушающая
ности образца,
ная доля
нагрузка, Н
МПа
пор в образце ,
при
при
при
при
м3/м3 изгибе сжатии изгибе сжатии
Результаты определения объемной доли пор и предела прочности при сжатии статистически обрабатывают: определяют оценку математического ожидания
(М) по формуле
n
_
М=
∑ Хi
i =1
n
;
(1.5)
величину среднеквадратического отклонения (S):
⎛ _
⎞
∑ ⎜⎝ M − x i ⎟⎠
i =1
n −1
n
S=
2
;
(1.6)
коэффициент изменчивости (Сv):
Cv =
S
_
⋅100 %.
(1.7)
M
Результаты статистической обработки (по всем звеньям) заносят в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Результаты статистической обработки
В/Вяж
серии
образцов
Объемная доля пор
Vпор,
м3/м3
S, м3/м3
Cv, %
Предел прочности
при сжатии
R, МПа S, МПа
Cv, %
Предел прочности
при изгибе
R,
S,
Cv, %
МПа МПа
1.7. Выводы
На основе данных табл. 1.2 строят графические зависимости:
1) величины пористости матрицы от величины водовяжущего отношения
Vп = f(В/Вяж);
2) предела прочности при изгибе и сжатии от величины пористости матрицы
R = f(Vп);
3) предела прочности при изгибе и сжатии от водовяжущего отношения
R = f(В/Вяж).
6
На основании анализа полученных графических зависимостей делается заключение о влиянии водовяжущего отношения и объема пор на физикомеханические свойства матрицы композиционных строительных материалов.
Лабораторная работа № 2
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТИПОВ ЦЕМЕНТАЦИИ НА СВОЙСТВА
КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Цель работы:
Исследование влияния содержания зерен мелкого заполнителя на структуру
(тип цементации) и свойства композиционного строительного материала (на
примере мелкозернистого бетона).
2.2. Контрольные вопросы
1. Что такое композиционный материал?
2. Что такое масштабный уровень структуры?
3. Как можно охарактеризовать структуру композиционного материала в виде
двухкомпонентной системы «матрица-включение»?
4. Как тип цементации композиционных материалов влияет на их прочность?
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 3584-73.
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.
7
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 (Vпуст), рассчитывают состав смеси с
различным коэффициентом избытка матричного материала (Кизб=VМ/Vпуст). Величина Кизб принимается равной 0,9; 1,1 и 1,6. Подгруппа разбивается на три звена,
каждое звено работает со своей величиной Кизб. 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:
VМ = Кизб ⋅ Vпуст ,
(2.1)
VМ = Vвяж + Vв ,
где VМ – объем матричного материала в 1 м3 смеси,
Vвяж - объем вяжущего вещества в 1 м3 смеси,
Vв - объем воды в 1 м3 смеси.
Для расчета материалов на 1 м3 смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом:
m вяж
+
m вяж
+
ρ вяж
mв
ρв
В
= К изб ⋅ V пуст ,
Вяж
⋅ m вяж
= К изб ⋅ V пуст ,
ρ вяж
ρв
где mв - масса воды, кг;
mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
ρвяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м3;
ρв – истинная плотность воды, кг/м3.
Затем из уравнения (2.3) находят массу вяжущего вещества.
Расход включений (mвк) в кг/м3 рассчитывают, исходя из соотношений:
(2.2)
(2.3)
Vвк = 1 − VМ ,
mвк = ρвк ⋅ Vвк ,
mвк = ρвк ⋅ (1 − К изб ⋅ Vпуст ),
(2.4)
где ρвк - истинная плотность зерен включений, кг/м3;
Vвк - объем включений в 1 м3 смеси.
После проведения расчетов каждое звено формует серию из 6 образцов-кубов
со стороной ребра 5 см (7см). Серии образцов отличаются величиной коэффициента
избытка матричного материала. После твердения (условия твердения для всех сме8
сей 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 заносят в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Результаты испытаний
Предел
Среднее
РазруГеометМасса
Средняя
прочнозначение шающая
рические
Кизб сеобплотность
сти при
плотности нагрузка
размеры
рии образца,
образца,
сжатии
образцов в при сжаобразца,
разцов
кг/м3
кг
образца,
3
серии, кг/м тии, Н
м
МПа
Результаты
статистической обработки
значений предела прочности
при сжатии образцов
R, МПа
S, МПа
Cv, %
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 Кипп по формуле:
Кипп=Rк/Rм,
(2.5)
где Rк – предел прочности при сжатии композиционного материала,
Rм – предел прочности при сжатии матрицы.
Результаты расчетов заносят в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Характеристика параметров структуры и свойств мелкозернистого бетона
Тип цементации
Vтв.ф=Vвк+VМ, Vпор, Предел прочности Коэффициент использования
м3/м3
м3/м3 при сжатии, МПа потенциала прочности матрицы
(Кипп)
Пленочный (Кизб=0,9)
Поровый (Кизб=1,1)
Базальный (Кизб=1,6)
2.7. Выводы
На основе данных табл. 2.2 строят графические зависимости:
1) величины пористости мелкозернистого бетона от Кизб матричного материала: Vп = f(Кизб);
2) предела прочности при сжатии от Кизб матричного материала: Rсж = (Кизб);
3) коэффициента использования потенциала прочности матрицы в прочности композита от Кизб матричного материала: Кипп= f(Кизб).
9
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.
10
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 (Vпуст) различных фракций, производится расчет
составов смесей с различным коэффициентом избытка матричного материала
(Кизб). Каждое звено рассчитывает составы бетонной смеси для Кизб = 0,9; 1,1; 1,6.
Величина водовяжущего отношения, величина соотношения массовых долей мелкого заполнителя и вяжущего вещества в составе матрицы принимаются постоянной для всех серий образцов и задаются согласно результатам лабораторных работ №1 и №2.
Расчет составов на 1 м3 смесей производят посредством следующих соотношений:
VМ = Кизб ⋅ Vпуст ,
(3.1)
VМ = Vвяж + VМЗ + Vв ,
где VМ – объем матричного материала в 1 м3 смеси,
Vвяж - объем вяжущего вещества в 1 м3 смеси,
VМЗ – объем мелкого заполнителя в 1 м3смеси,
Vв - объем воды в 1 м3 смеси.
Для расчета расхода материалов на 1 м3 смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом:
mвяж
ρвяж
mвяж
ρвяж
+
mМЗ
ρ МЗ
mМЗ
+
+
mв
ρв
Вяж
ρ МЗ
(3.2)
= Кизб ⋅Vпуст ,
⋅ mвяж
+
В
Вяж
⋅ mвяж
ρв
= Кизб ⋅Vпуст ,
(3.3)
где mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
mМЗ - масса мелкого заполнителя, кг;
mв - масса воды, кг;
ρвяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м3;
ρМЗ - истинная плотность зерен мелкого заполнителя, кг/м3;
ρв – истинная плотность воды, кг/м3.
Затем из уравнения (3.3) находят массу вяжущего вещества и массу мелкого
заполнителя. Расход включений mвк, кг/м3, рассчитывают по формуле (2.4) (см.
11
лабораторную работу №2).
Каждое звено формует по 3 серии из 6 образцов-кубов со стороной ребра 10
см, используя крупный заполнитель своей рабочей фракции. Серии образцов отличаются величиной коэффициента избытка матричного материала. После твердения (условия твердения для всех серий образцов должны быть одинаковыми)
образцы высушивают до постоянной массы и подвергают техническим испытаниям: их измеряют, взвешивают, а затем испытывают на прочность при сжатии.
3.6. Содержание и результаты работы
Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью
0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносят в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Результаты испытаний
Среднее
Предел
ГеометРазруСредняя значение
прочноМасса
рические
шающая
Кизб сеплотность плотности
сти при
образмеры
нагрузка
рии обсжатии
образца, образцов в
разца,
образца,
при сжаразцов
серии,
кг/м3
образца,
кг
м
тии, Н
кг/м3
МПа
Результаты
статистической обработки
значений предела прочности
при сжатии образцов
R, МПа
S, МПа
Cv, %
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 бетона (см. лабораторную работу
№1). По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы Кипп.
Результаты расчетов заносят в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Характеристика параметров структуры и свойств бетона
Фракционный
состав крупного заполнителя
Тип
цементации
Vтв.ф=Vвк+VМ,
м3/м3
Vпор,
м3/м3
Предел
прочности
при сжатии,
МПа
Коэффициент
использования
потенциала прочности матрицы (Кипп)
Пленочный
(Кизб=0,9)
Поровый
(Кизб=1,1)
Базальный
(Кизб=1,6)
3.7. Выводы
На основе данных табл. 3.2 строят графические зависимости:
1) величины пористости, предела прочности при сжатии, коэффициента использования потенциала прочности матрицы от Кизб матричного материала
Vп = f(Кизб); Rсж = f(Кизб ); Кипп= f(Кизб) для бетонов, изготовленных на за12
полнителях различного фракционного состава;
2) предела прочности при сжатии и коэффициента использования потенциала
прочности матрицы бетона от фракционного состава крупного заполнителя.
На основании анализа полученных зависимостей делается заключение о
влиянии типа цементации, фракционного состава крупного заполнителя на пористость и прочность композиционного материала.
Лабораторная работа № 4
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ
ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ МАКРОПОР
НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПОРИЗОВАННОГО БЕТОНА
4.1. Цель работы:
Исследовать влияние степени наполнения мелкозернистой матрицы макропорами на прочность композиционного материала.
4.2. Вопросы для подготовки к работе
1. Какие существуют разновидности макропористых бетонов?
2. Каковы основные положения классификации порового пространства по механизму образования пор?
3. Какими типами пор с точки зрения их размерно-геометрических характеристик представлено поровое пространство строительных композиционных материалов?
4.3. Оборудование, инструменты и материалы:
1. Скоростной лабораторный смеситель роторного типа с вертикальным валом.
2. Емкость для приготовления поризованной смеси.
3. Формы-кубы (10×10×10 см).
4. Мерные цилиндры на 10, 100, 500 и 1000 мл.
5. Весы торговые с пределами взвешивания до 10 кг.
6. Секундомер.
7. Пресс гидравлический – УММ-20.
10. Минеральное вяжущее вещество (портландцемент, гипс или др.).
11. Мелкий заполнитель (кварцевый песок или т.п.).
12. Поверхностно-активная добавка воздухововлекающего действия.
4.4. Рабочее задание
Произвести оценку пористости и прочности поризованного бетона различной
средней плотности. В качестве матрицы принимается мелкозернистый бетон оптимального состава (по данным лабораторной работы №2), включениями являются
макропоры – поры, создаваемые при помощи воздухововлечения при перемешивании. На основании полученных результатов работы проводится анализ влияния
13
объемного содержания макропор на прочность композиционного материала и использование потенциала прочности матрицы в прочности композита.
4.5. Порядок выполнения работы
Подгруппа студентов разбивается на три звена. Каждое звено производит
расчет состава мелкозернистой смеси, на основе заданной степени поризации, которая указывается преподавателем. Состав смеси по массовым соотношениям
цемента, песка и воды во всех сериях должен быть одинаковым и принимается по
данным лабораторной работы №2. Степень поризации (заданная средняя плотность) бетонной смеси изменяется за счет варьирования дозировки добавки ПАВ
воздухововлекающего действия, которая указывается преподавателем.
Расчет составов на 1 м3 непоризованной бетонной смеси производится следующим образом:
Vвяж + V МЗ + Vв = 1,
(4.1)
m вяж
ρ вяж
m вяж
ρ вяж
+
m МЗ
ρ МЗ
m МЗ
+
+
mв
ρв
Вяж
= 1,
(4.2)
⋅ m вяж
ρ МЗ
+
В
Вяж
⋅ m вяж
ρв
= 1,
(4.3)
где Vвяж - объем вяжущего вещества в 1 м3 смеси;
VМЗ – объем мелкого заполнителя в 1 м3смеси;
Vв - объем воды в 1 м3 смеси;
mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
mМЗ - масса мелкого заполнителя, кг;
mв - масса воды, кг;
ρвяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м3;
ρМЗ - истинная плотность зерен мелкого заполнителя, кг/м3;
ρв – истинная плотность воды, кг/м3.
Расход воздухововлекающей добавки Мд рассчитывают по формуле:
Мд =
mвяж ⋅ Д
,
Сд ⋅ ρ д
(4.4)
где Д – массовая доля добавки, % от массы цемента;
Сд – концентрация добавки, %;
ρд – плотность добавки, кг/м3.
После проведения расчетов каждое звено формует 1 серию из 6 образцовкубов с размером ребра 10 см. Серии образцов отличаются степенью поризации
(объемным содержанием макропор).
После твердения (образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±5 0С,
W≈100%) образцы высушивают до постоянной массы и подвергают техническим
испытаниям: их измеряют, взвешивают, а затем испытывают на прочность при
14
сжатии.
4.6. Содержание и результаты работы
Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью
0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносят в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Результаты испытаний
Предел
Среднее
ЗадаваеГеометРазрупрочномая сте- Масса
Средняя значение
шающая
рические
сти при
пень по- обплотность плотности
размеры
нагрузка
ризации разца,
образца, образцов в
сжатии
образца,
при сжасерии
кг
кг/м3
серии,
образца,
м
тии, Н
образцов
кг/м3
МПа
Результаты
статистической обработки
значений предела прочности
при сжатии образцов
R, МПа
S, МПа
Cv, %
При анализе полученных результатов, для каждой серии образцов рассчитывается объемная доля макропор. Объемную долю макропор Vмп рассчитывают
по формуле:
⎛ ρ ⎞
Vм п = ⎜1 − к ⎟ ,
⎝ ρм ⎠
(4.5)
где ρк - средняя плотность композита, кг/м3;
ρм - средняя плотность матрицы, кг/м3.
Используют данные лабораторной работы №2.
По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы Кипп.
Результаты расчетов заносят в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Характеристика параметров структуры и свойств поризованного бетона
Средняя плотность поризован- VМП, м3/м3
ного бетона, кг/м3
Предел прочности
при сжатии, МПа
Коэффициент использования
потенциала прочности
матрицы (Кипп)
4.7. Выводы
На основе данных табл. 4.2 строят графические зависимости:
1)объемной доли макропор поризованного бетона от средней плотности
Vмп = f(ρср);
2) предела прочности при сжатии от объемной доли макропор Rсж = f(Vмп);
3) коэффициента использования потенциала прочности матрицы от объемной
доли макропор Кипп= f(Vмп).
На основании анализа полученных зависимостей делается заключение о
15
влиянии объемного содержания макропор на прочность композиционного материала и коэффициент использования потенциала прочности матрицы.
Лабораторная работа № 5
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ ВОЛОКНИСТЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ
НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
5.1. Цель работы:
Исследовать влияние на прочность композиционного материала степени наполнения мелкозернистой матрицы волокнистыми включениями (на примере
дисперсно-армированного мелкозернистого бетона).
5.2. Вопросы для подготовки к работе
1. Что называют дисперсно-армированными бетонами?
2. Какие существуют схемы ориентации волокнистых включений в структуре
композиционного материала?
механизм влияния дисперсного армирования на физико3. Каков
механические свойства композиционного материала?
5.3. Оборудование, инструменты и материалы:
1. Емкость для приготовления бетонной смеси.
2. Формы-призмы (4×4×16 см).
3. Мерные цилиндры на 500 и 1000 мл.
4. Весы торговые с пределами взвешивания до 10 кг.
5. Секундомер.
6. Пресс гидравлический – УММ-20.
7. Минеральное вяжущее вещество (портландцемент, гипс или др.).
8. Мелкий заполнитель (кварцевый песок или т.п.).
9. Армирующее волокно (асбестовое, базальтовое или др.).
5.4. Рабочее задание
Произвести оценку пористости и прочности дисперсно-армированного мелкозернистого бетона с различным содержанием волокнистых армирующих включений. В качестве матрицы принимается мелкозернистый бетон оптимального состава (по данным лабораторной работы №2), включениями являются волокна с
диаметром 20…200 мкм. На основании полученных результатов работы, проводится анализ влияния объемного содержания волокон на прочность при изгибе и
сжатии композиционного материала и использование потенциала прочности матрицы в прочности композита.
5.5. Порядок выполнения работы
Для выполнения лабораторной работы подгруппа разбивается на три звена.
Каждое звено формует 2 серии из 6 образцов-призм размером 4×4×16 см. Серии
образцов отличаются содержанием армирующих волокнистых включений. Объ16
емное содержание волокон в 1 м3 бетона назначается преподавателем в зависимости от применяемого вида волокна и определяется в диапазоне от 0 до 0,05 м3/м3,
что обеспечивает соответствие количества армирующих элементов концентрации
трещин в единице объема бетона, чем достигается эффективное торможение процесса трещинообразования.
Состав смеси по расходу цемента, песка и воды во всех сериях должен быть
одинаковым и аналогичным оптимальному составу мелкозернистого бетона по
результатам лабораторной работы №2.
Расчет расхода волокон на 1 м3 бетонной смеси производят исходя из соотношений:
Vфибр = Vбс ⋅ Сфибр ,
mфибр = Vфибр ⋅ ρфибр ,
(5.1)
где Vбс – объем бетонной смеси, м3;
Vфибр – объем фибр, м3;
Сфибр – объемная доля волокон, м3/м3;
ρд – истинная плотность волокон, кг/м3.
После твердения (образцы твердеют в нормальных условиях при t=20±5 0С,
W≈100%) образцы высушивают до постоянной массы и подвергают техническим
испытаниям: их измеряют, взвешивают, а затем испытывают на прочность при изгибе и сжатии.
5.6. Содержание и результаты работы
Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью
0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносят в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Результаты испытаний
Мас
Объемная
са
доля вооблокнистых
развключе3 3 ца,
ний, м /м
кг
Геометрические
размеры образца,
м
Результаты
Результаты
статистической обработ- статистической обработки
значений предела
ки значений предела
роч
сти
при
с
жатии
прочно
сти при изгибе
п
но
при
при при
при
образцов
о
бразцов
сжа- изгисжаизгибе,
тии,
тии,
R,
бе, Н
Н
МПа МПа МПа S, МПа Cv, % R, МПа S, МПа Cv, %
Разрушающая
нагрузка
Предел
прочности
образца
При анализе полученных результатов, для каждой серии образцов рассчитывается массовая доля волокон в 1 м3 мелкозернистого бетона.
По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы Кипп. Результаты расчетов заносят в таблицу 5.2.
17
Таблица 5.2
Характеристика параметров структуры и свойств дисперсно-армированного
мелкозернистого бетона
Массовая доля
волокнистых
включений, кг/м3
Предел прочности
при сжатии, МПа
Коэффициент использования
Предел прочности потенциала прочности матрицы
(Кипп)
при изгибе, МПа
при изгибе
при сжатии
5.6. Выводы
На основе данных табл. 5.2 строят графические зависимости:
1) предела прочности при изгибе и сжатии от объемной доли волокнистых
включений: Rсж = f(Vфибр), Rизг = f(Vфибр);
2) коэффициента использования потенциала прочности матрицы при изгибе и
сжатии от объемной доли волокнистых включений:
Киппизг = f(Vфибр), Киппсж = f(Vфибр);
На основании анализа полученных зависимостей делается заключение о
влиянии объемного содержания волокнистых включений на пористость и прочность композиционного материала и на коэффициент использования потенциала
прочности матрицы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИЗУЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОГО ВЛИЯНИЯ ТИПОВ ЦЕМЕНТАЦИИ
И СОСТАВА МАТРИЦЫ
НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
6.1. Цель работы:
Исследовать влияние содержания комплексного модификатора МБ-01 и
объемного соотношения матрицы и включений на структуру и свойства композиционного строительного материала.
6.2. Контрольные вопросы
1. Как матрицы классифицируются по энергетическому и вещественному состоянию?
2. Какие элементы структуры выделяются на микромасштабном уровне строения композиционного строительного материала?
3. Как классифицируются включения по форме и размеру?
4. Какие существуют варианты пространственной ориентации включений в
матрице?
18
6.3. 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).
9. Модификатор МБ-01
10. Мелкий заполнитель (кварцевый песок).
11. Крупный заполнитель (гранитный щебень).
6.4. Рабочее задание
Произвести оценку предела прочности при сжатии образцов плотного бетона с различным объемным содержанием в матрице модификатора МБ-01 и различным объемным содержанием зерен крупного заполнителя. В качестве матрицы
принимается мелкозернистая смесь, в состав которой входят цемент, модификатор МБ-01, песок (количественное соотношение в смеси вяжущего вещества
(Ц+МБ) и песка принимается по данным лабораторной работы №2), включениями
являются зерна крупного заполнителя (гранитного щебня). На основании полученных результатов работы проводится анализ влияния дозировки модификатора
на прочность композиционного материала и использование потенциала прочности
матрицы в прочности композита с различными типами цементации.
6.5. Порядок выполнения работы
Студенческая группа разбивается на два звена, каждое из которых работает
с определенной дозировкой модификатора при различном объемном содержании
зерен крупного заполнителя. Первое звено применяет модификатор МБ-01 в количестве 10% от массы цемента, второе звено применяет модификатор МБ-01 в
количестве 12% от массы цемента. Проводится определение объемной насыпной
массы и пустотности крупного заполнителя, согласно ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и
гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для
строительных работ. Методы физико-механических испытаний». Исходя из величины пустотности заполнителя (Vпуст) различных фракций, производится расчет
составов смесей с различным коэффициентом избытка матричного материала
(Кизб). Каждое звено рассчитывает составы бетонной смеси для Кизб = 0,9; 1,1; 1,6.
Величина водовяжущего отношения, величина соотношения массовых долей мелкого заполнителя и модифицированного вяжущего вещества (цемент + модификатор МБ-01) в составе матрицы принимаются постоянной для всех серий образцов
и задаются согласно результатам лабораторных работ №1 и №2.
Расчет составов на 1 м3 смесей производят исходя из следующих соотно19
шений:
VМ = К изб ⋅Vпуст ,
(6.1)
VМ = Vвяж + VМЗ + Vв + VМБ − 01 ,
где VМ – объем матричного материала в 1 м3 смеси,
Vвяж - объем вяжущего вещества в 1 м3 смеси,
VМЗ – объем мелкого заполнителя в 1 м3смеси,
Vв - объем воды в 1 м3 смеси,
VМБ-01 – объем модификатора в 1 м3 смеси.
Для расчета расхода материалов на 1 м3 смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом:
mвяж
ρ вяж
mвяж
ρ вяж
+
mМЗ
ρ МЗ
mМЗ
+
+
mв
ρв
Вяж
ρ МЗ
+
mМБ −01
ρ МБ −01
⋅ mвяж
+
(6.2)
= К изб ⋅Vпуст ,
В
Вяж
⋅ mвяж
ρв
+
к ⋅ mвяж
ρ МБ −01
= К изб ⋅Vпуст ,
(6.3)
где mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
mМЗ - масса мелкого заполнителя, кг;
mв - масса воды, кг;
ρвяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м3;
ρМЗ - истинная плотность зерен мелкого заполнителя, кг/м3;
ρв – истинная плотность воды, кг/м3;
ρМБ-01 – истинная плотность модификатора, кг/м3;
к – массовая доля модификатора от массы цемента.
Затем из уравнения (6.3) находят массу вяжущего вещества и массу мелкого
заполнителя. Расход включений mвк, кг/м3, рассчитывают по формуле (2.4) (см.
лабораторную работу №2).
Каждое звено формует по 3 серии из 6 образцов-кубов со стороной ребра 10
см, используя крупный заполнитель своей рабочей фракции. Серии образцов отличаются величиной коэффициента избытка матричного материала. После твердения (условия твердения для всех серий образцов должны быть одинаковыми)
образцы высушивают до постоянной массы и подвергают техническим испытаниям: их измеряют, взвешивают, а затем испытывают на прочность при сжатии.
6.6. Содержание и результаты работы
Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью
0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносят в табл. 6.1.
20
Таблица 6.1
Результаты испытаний
Предел
Среднее
РазруГеометМасса
Средняя значение
прочношающая
рические
Кизб
обплотность плотности
сти при
нагрузка
размеры
серии
разца,
образца, образцов в
сжатии
при сжаобразца,
образцов
кг
кг/м3
образца,
серии,
тии, Н
м
МПа
кг/м3
Результаты
статистической обработки
значений предела прочности
при сжатии образцов
R, МПа
S, МПа
Cv, %
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 бетона (см. лабораторную работу
№1). По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы Кипп.
Результаты расчетов заносят в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Характеристика параметров структуры и свойств бетона
Содержание
модификатора
МБ-01, % от
массы цемента
Тип
цементации
Vтв.ф=Vвк+VМ,
м3/м3
Vпор,
м3/м3
Предел
прочности
при сжатии, МПа
Коэффициент
использования
потенциала прочности матрицы (Кипп)
Пленочный
(Кизб=0,9)
Поровый
(Кизб=1,1)
Базальный
(Кизб=1,6)
6.7. Выводы
На основе данных табл. 6.2 строят графические зависимости:
1) величины пористости, предела прочности при сжатии, коэффициента использования потенциала прочности матрицы от Кизб матричного материала
Vп = f(Кизб); Rсж = f(Кизб); Кипп= f(Кизб) для бетонов, изготовленных с различной массовой долей модификатора МБ-01;
2) предела прочности при сжатии и коэффициента использования потенциала
прочности матрицы бетона от объемной доли модификатора МБ-01 в матрице.
На основании анализа полученных зависимостей делается заключение о
влиянии дозировки модификатора на прочность композиционного материала и
использовании потенциала прочности матрицы в прочности композита с различными типами цементации.
21
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абрамзон, А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение /А.А. Абрамзон. – Л.: Химия, 1975. – 246 с.
2. Баженов, Ю.М. Технология бетонов: учебн. для ВУЗов / Ю.М.Баженов. –
М.: АСВ, 2002 – 500 с.
3. Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика: учеб.,
2-е издание, перераб. и доп./В.Г. Батраков. – М., 1998, 456 с.
4. Вознесенский, В.А. Статистические методы планирования в техникоэкономических исследованиях / В.А. Вознесенский. – М.: Финансы и статистика,
1981. – 263 с.
5. Рабинович, Ф.Н. Дисперсно-армированные бетоны /Ф.Н. Рабинович. - М.:
Стройиздат, 1989. – 177 с.
6. Хрулев, В.М. Состав и структура композиционных материалов: учеб. пособие / В.М. Хрулев, Ж.Т. Тентиев, В.М. Курдюмова. – Бишкек: Полиглот, 1997. –
124 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………...............3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Изучение структуры и свойств матрицы
композиционных строительных материалов…………………...........................4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. Изучение влияния типов цементации
на свойства композиционных строительных материалов………………............7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Изучение влияния типов цементации
и гранулометрического состава макровключений (зерен крупного
заполнителя) на структуру и свойства композиционного строительного
материала……………………………………………………………………..........10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. Изучение влияния объемной доли
макропор на структуру и свойства поризованного бетона…………….............13
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. Изучение влияния объемной доли
волокнистых включений на структуру и свойства композиционного
строительного материала…………………………………………………............16
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. Изучение комплексного влияния типов
цементации и состава матрицы на структуру и свойства композиционного
строительного материала………………………………………............................19
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ……………………………………...........23
22
Механика прочности и разрушения
материалов и конструкций
Методические указания
к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей
270106 «Производство строительных изделий, материалов и конструкций»
и 200503 «Стандартизация и сертификация»
Составители: Славчева Галина Станиславовна
Верлина Наталья Анатольевна
Подписано в печать 27.03.2009г. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 1,5.
Усл.-печ. л. 1,6. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № _______ .
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета
23
394006 Воронеж, ул. 20 лет Октября, 84
24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
429 Кб
Теги
механика, конструкции, 376, разрушение, материалы, прочность
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа