close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

146. Механика прочности и разрушения материалов и конструкций

код для вставкиСкачать
479
Кафедра технологии строительных
материалов, изделий и конструкций
МЕХАНИКА ПРОЧНОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ
методические указания
к выполнению лабораторных работ
для бакалавров направления
08.03.01 (270800) – «Строительство» и
27.03.01 (200500) «Стандартизация и метрология»
ВОРОНЕЖ -2014
Составители Г.С. Славчева, Н.А. Верлина
УДК 691:620.18(07)
Механика прочности и разрушения материалов и конструкций
Текст : метод. указ. к выполнению лабор. работ для бакалавров направления
08.03.01 (270800) – «Строительство» и 27.03.01 (200500) «Стандартизация и
метрология» / Воронеж. гос. арх. – строит. ун-т; сост.: Г.С. Славчева, Н.А.
Верлина. - Воронеж, 2014.- 21 с.
Методические указания предназначены для изучения бакалаврами
направления «Строительство» состава, структуры и свойств композиционных
строительных материалов и факторов управления их свойствами последовательно по масштабным уровням структуры.
Табл. 12. Библиограф.: 6 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Воронежского государственного архитектурно-строительного
университета
Рецензент – Д.В. Панфилов, к. т. н, доц., заведующий кафедрой
строительных конструкций, оснований и фундаментов
Воронежского
государственного
архитектурностроительного университета
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
Объем
№ раНаименование работы
работы
боты
в часах
1
Изучение структуры и свойств матрицы композиционных
8
строительных материалов
2
Изучение влияния типов цементации на свойства композици8
онных строительных материалов
3
Изучение влияния типов цементации и гранулометрического со8
става макровключений (зерен крупного заполнителя) на структуру и свойства композиционного строительного материала
4
Изучение влияния объемной доли макропор на структуру и
6
свойства композиционного строительного материала
5
Изучение влияния объемной доли волокнистых включений
6
на структуру и свойства композиционного строительного
материала
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;
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.
3
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 физикомеханические 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) 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 3 звена. Каждое звено производит
расчет состава матрицы, исходя из задаваемой величины водовяжущего
отношения, которое указываются преподавателем.
Состав матрицы и расход материалов на 1 м 3 при заданном водовяжущем отношении (В/Вяж) рассчитывают, принимая некоторые допущения, исходя из следующих зависимостей:
4
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, кг.
Для расчета материалов на 1 м3 смеси приведенная система уравнений преобразуется следующим образом:
mвя ж
mв
вя ж
в
mвя ж
В
Вяж
вя ж
где
(1.2)
1,
mвя ж
1,
(1.3)
в
- истинная плотность вяжущего, кг/м 3,
3
в – истинная плотность воды, кг/м .
вяж
Затем из уравнения (1.3) находят массу вяжущего вещества, в соответствии с заданным водовяжущим отношением определяют массу воды.
Каждое звено формует две 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 о бразца рассчитывают предел прочности при изгибе и сжатии и объемную долю пор (Vпор ). Для расчета объемной доли пор этого применяют формулу
Vпор
1
м
,
(1.4)
и
где
- средняя плотность матрицы в сухом состоянии, кг/м3;
3
и - истинная плотность матрицы в сухом состоянии, кг/м .
м
1.6. Содержание и результаты работы
Результаты испытаний заносят в табл. 1.1.
5
Таблица 1.1
Результаты испытаний
В/Вяж Масса ГеометриСредняя Среднее знасерии образца, ческие Объем
чение средплотность
образкг
размеры образ- образца, ней плотно3
сти образцов
цов
образца, м ца, м
кг/м 3
в серии, кг/м3
ОбъемПредел прочРазрушающая
ная доля
ности образца,
нагрузка, Н
пор в обМПа
разце ,
при
при
при
при
м 3 /м 3 изгибе сжатии изгибе сжатии
Результаты определения объемной доли пор и предела прочности при
сжатии статистически обрабатывают: определяют оценку математического
ожидания (М) по формуле
n
Хi
_
М
(1.5)
i 1
n
величину среднеквадратического отклонения (S):
n
2
_
M xi
(1.6)
i 1
S
n 1
коэффициент изменчивости (С v):
S
Cv
_
100 %;
(1.7)
M
Результаты статистической обработки (по всем звеньям) заносят в табл.
1.2.
Результаты статистической обработки
В/Вяж
серии
образцов
Объемная доля пор
Vпор ,
м3 /м3
S, м3 /м3
Cv , %
Таблица 1.2
Предел прочности при сжа- Предел прочности при
тии
изгибе
R, МПа S, МПа
Cv , %
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 мат-
6
рицы R = f(Vп);
3) предела прочности при изгибе и сжатии от водовяжущего отношения
R = f(В/Вяж).
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 3584-86.
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
7
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 (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 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 м 3
смесей производится исходя из следующих соотношений:
VМ
Кизб Vпуст ,
VМ
Vвяж Vв ,
(2.1)
где VМ – объем матричного материала в 1 м 3 смеси,
Vвяж - объем вяжущего в 1 м3 смеси,
Vв - объем воды в 1 м3 смеси.
Для расчета материалов на 1 м3 смеси приведенная система уравнений
преобразуется следующим образом:
mвя ж
mв
вя ж
в
mвя ж
вя ж
В
К из б Vпуст,
Вяж
mвя ж
К из б Vпуст,
(2.2)
(2.3)
в
где mв - масса воды, кг;
mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
3
вяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м ;
3
в – истинная плотность воды, кг/м .
Затем из уравнения (2.3) находят массу вяжущего.
Расход включений (mвк) в кг/м3 рассчитывают, исходя из соотношений:
8
Vвк
1 VМ ,
mвк
вк
mвк
вк
(2.4)
Vвк ,
1 Кизб Vпуст ,
где вк - истинная плотность зерен включений, кг/м 3;
Vвк - 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.
Результаты испытаний
ГеометСреднее
Масса
Средняя
Кизб се- об- рические плотность значение
рии образмеры
плотности
разца,
образца,
образца,
образцов в
разцов
3
кг
кг/м
м
серии, кг/м 3
Таблица 2.1
Разру- Предел Результаты статистической обшающая прочно- работки значений предела прочсти при
нагрузка
ности при сжатии образцов
сжатии
при сжаобразца,
тии, Н
R, МПа S, МПа
Cv , %
МПа
При анализе полученных результатов для каждой серии образцов рассчитываются следующие параметры структуры: объемная доля пор и твердой
фазы (матричного материала и включений) в 1 м 3 мелкозернистого бетона
(см. лабораторную работу №1). По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы в прочности ко мпозита 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 Vпор , Предел прочности Коэффициент использования по3 3
+ VМ, м3 /м3 м /м при сжатии, МПа тенциала прочности матрицы
9
(Кипп)
Пленочный (К изб=0,9)
Поровый (К изб=1,1)
Базальный (К изб=1,6)
2.7. Выводы
На основе данных табл. 2.2 строят графические зависимости:
1) величины пористости мелкозернистого бетона от К изб матричного
материала: Vп = f(Кизб);
2) предела прочности при сжатии от К изб матричного материала: Rсж =
(Кизб);
3) коэффициента использования потенциала прочности матрицы в
прочности композита от К изб матричного материала: К ипп= f(Кизб).
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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Емкость для приготовления смеси.
Формы-кубы (с размером ребра 100 мм).
Мерные цилиндры на 500 и 1000 мл.
Весы торговые с пределами взвешивания до 10 кг.
Мерные цилиндрические сосуды вместимостью 5; 10; 20 и 50 л.
Набор сит с отверстиями диаметром 3; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30 мм.
Пресс гидравлический – УММ-20.
Минеральное вяжущее вещество (портландцемент, гипс или др.).
10
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 8269.097 «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 (К изб). 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 постоянными 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,
VМ
Vвяж VМЗ Vв ,
(3.1)
где VМ – объем матричного материала в 1 м 3 смеси,
Vвяж - объем вяжущего в 1 м3 смеси,
VМ З – объем мелкого заполнителя в 1 м3смеси,
Vв - объем воды в 1 м3 смеси.
Для расчета расхода материалов на 1 м 3 смеси приведенная система
mвя ж
mМЗ
mв
вя ж
МЗ
в
mвя ж
вя ж
mМЗ
Вяж
МЗ
(3.2)
К изб Vпуст,
mвя ж
В11
m
Вяж вя ж
в
К изб Vпуст,
(3.3)
уравнений преобразуется следующим образом:
где mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
mМЗ - масса мелкого заполнителя, кг;
mв - масса воды, кг;
3
вяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м ;
3
МЗ - истинная плотность зерен мелкого заполнителя, кг/м ;
3
в – истинная плотность воды, кг/м .
Затем из уравнения (3.3) находят массу вяжущего вещества и массу
мелкого заполнителя. Расход включений mвк в 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.
3.6. Содержание и результаты работы
Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью 0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносятся в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Результаты испытаний
Среднее
Предел
ГеометРазруРезультаты статистической обМасса
Средняя значение
прочнорические
шающая
работки значений предела прочКизб се- обплотность плотности
сти при
размеры
нагрузка
ности при сжатии образцов
рии образца,
образца, образцов в
сжатии
образца,
при сжаразцов
3
кг
кг/м
серии,
образца,
м
тии, Н
R, МПа S, МПа
Cv , %
кг/м 3
МПа
Для анализа полученных результатов для каждой серии образцов рассчитываются следующие параметры структуры: объемная доля пор и твердой
фазы (матричного материала и включений) в 1 м 3 бетона (см. лабораторную
работу №1). По результатам испытаний определяется коэффициент использования потенциала прочности матрицы К ипп.
Результаты расчетов заносят в табл. 3.2.
12
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 К изб матричного материала Vп = f(Кизб); Rсж = f(Кизб ); Кипп= f(Кизб) для бетонов, изготовленных на заполнителях 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 пор истость 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 композици-
13
онных 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), включ ениями являются макропоры – поры, создаваемые при помощи воздухововлечения при перемешивании. На основании полученных результатов работы
проводится анализ влияния объемного содержания макропор на прочность
композиционного материала и использование потенциала прочности матр ицы в прочности композита.
4.5. Порядок выполнения работы
Подгруппа студентов разбивается на 3 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:
Vвя ж VМЗ Vв 1,
mвя ж
mМЗ
mв
вя ж
МЗ
в
mвя ж
вя ж
mМЗ
Вяж
(4.1)
1,
mвя ж
МЗ
В
(4.2)
Вяж
mвя ж
1,
в
(4.3)
14
где Vвяж - объем вяжущего вещества в 1 м3 смеси,
VМ З – объем мелкого заполнителя в 1 м 3смеси,
Vв - объем воды в 1 м3 смеси.
mвяж - масса вяжущего вещества, кг;
mМ З - масса мелкого заполнителя, кг;
mв - масса воды, кг;
3
вяж - истинная плотность вяжущего вещества, кг/м ;
3
М З - истинная плотность зерен мелкого заполнителя, кг/м ;
3
в – истинная плотность воды, кг/м .
Расход воздухововлекающей добавки Мд рассчитывают по формуле
Мд
mвя ж Д
Сд д
,
(4.4)
где Д – массовая доля добавки, % от массы цемента;
Сд – концентрация добавки, %;
3
д – плотность добавки, кг/м .
После проведения расчетов каждое звено формует 1 серию из шести
образцов-кубов 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 сжатии.
4.6. Содержание и результаты работы
Результаты экспериментов статистически обрабатывают с вероятностью 0,95 (см. лабораторную работу №1) и заносятся в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Результаты испытаний
ЗадаваеСреднее
Предел Результаты статистической обГеометРазрумая сте- Масса
Средняя значение
прочно- работки значений предела прочрические
шающая
пень по- обплотность плотности
сти при
ности при сжатии образцов
размеры
нагрузка
ризации разца,
образца, образцов в
сжатии
образца,
при
сжасерии
кг
кг/м 3
серии,
образца,
м
тии, Н
R, МПа S, МПа
Cv , %
образцов
кг/м 3
МПа
Для анализа полученных результатов для каждой серии образцов рассчитывается объемная доля макропор. Объемную долю макропор Vмп рассчитывают по формуле
15
Vм п
1
к
,
(4.5)
м
- средняя плотность композита, кг/м 3;
3
м - средняя плотность матрицы, кг/м . Используют данные лабораторной
работы №2.
где
к
По результатам испытаний определяется коэффициент использования
потенциала прочности матрицы К ипп.
Результаты расчетов заносят в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Характеристика параметров структуры и свойств поризованного бетона
Средняя плот3 3
ность поризован- VМП, м /м
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( ср);
2) предела прочности при сжатии от объемной доли макропор Rсж =
f(Vмп);
3) коэффициента использования потенциала прочности матрицы от объемной доли макропор К ипп= f(Vмп).
На основании анализа полученных зависимостей делается заключение о
влиянии объемного содержания макропор на прочность композиционного
материала и коэффициент использования потенциала прочности матрицы.
16
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?
3. Каков механизм влияния дисперсного армирования на физикомеханические 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 3 звена. Каждое звено формует 2 серии из шести образцов-призм размером
4 4 16 см. Серии образцов отличаются содержанием армирующих волокнистых включений. Объемное содержание волокон в 1 м 3 бетона назначается
17
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 мелкозернистого бетона по
результатам лабораторной работы №2.
Расчет расхода волокон на 1 м 3 бетонной смеси производят исходя из
соотношений:
Vфибр Vбс Сфибр ,
(5.1)
mфибр Vфибр фибр ,
где Vбс – объем бетонной смеси, м3;
Vфибр – объем фибр, м3;
Сфибр – объемная доля волокон, м3/м3;
3
д – истинная плотность волокон, кг/м .
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 заносятся в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Результаты испытаний
Объемная
доля волокнистых
включений, м 3 /м 3
Мас
Разрушающая Предел прочности Результаты статистической обса Геометринагрузка
образца
работки значений предела прочоб- ческие разности при сжатии образцов
при
при сжа- при израз- меры обпри изсжатии,
гибе,
ца,
разца, м
гибе, Н
R, МПа S, МПа
Cv , %
тии,
Н
МПа
МПа
кг
Для анализа полученных результатов для каждой серии образцов рассчитывается массовая доля волокон в 1 м 3 мелкозернистого бетона.
По результатам испытаний определяется коэффициент использования
потенциала прочности матрицы Кипп. Результаты расчетов заносят в таблицу
5.2.
18
Таблица 5.2
Характеристика параметров структуры и свойств дисперсноармированного мелкозернистого бетона
Массовая доля волокнистых включений, кг/м3
Предел прочности
при сжатии, МПа
Предел прочности Коэффициент использования
при изгибе, МПа потенциала прочности матрицы
(Кипп)
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: К иппизг =
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 коэффициент использования
потенциала прочности матрицы.
19
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства,
анализ, применение /К.Р. Ланге; под науч. ред. Л.П. Занченко. - СПб.:
Профессия. 2007. - 240 стр., ил.
2. Баженов, Ю.М. Технология бетонов: учебн. для ВУЗов /
Ю.М.Баженов – М.: АСВ, 2002 – 500 с.
3. Баженов, Ю.М., Модифицированные высококачественные бетоны.
Научное издание. / B.C. Демьянова, В.И.Калашников – М.: Издательство
Ассоциации строительных вузов, 2006. - 368 с.
4. Барт, Т.В. Статистические методы в управлении качеством
продукции / В.В. Ефимов – М.: Издательство КноРус, 2006. – 240 с.
5. Рыбьев, И. А. Строительное материаловедение./ И.А. Рыбьев – М.:
Высш. шк., 2007. – 701 с.
6. Хрулев, В.М. Состав и структура композиционных материалов. учеб.
пособие для строит.-технологич. спец .вузов. / В.М. Хрулев, Ж.Т. Тентиев,
В.М. Курдюмова – Бишкек: Полиглот, 2003. – 124 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Изучение структуры и свойств
матрицы композиционных строительных материалов…………………
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. Изучение влияния типов цементации
на свойства композиционных строительных материалов……………….
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Изучение влияния типов цементации
и гранулометрического состава макровключений (зерен крупного з аполнителя) на структуру и свойства композиционного строительного
материала……………………………………………………………………
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. Изучение влияния объемной доли
макропор на структуру и свойства поризованного бетона…………….
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. Изучение влияния объемной доли
волокнистых включений на структуру и свойства композиционного
строительного материала…………………………………………………..
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………………….
20
3
4
7
10
13
17
20
Галина Станиславовна Славчева
Наталья Анатольевна Верлина
Механика прочности и разрушения материалов и конструкций
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
для бакалавров направления
28.03.01 (270800) – «Строительство» и
27.03.01 (200500) «Стандартизация и метрология»
Редактор Аграновская Н.Н.
Подписано в печать 16.12.2014. Формат 60х84 1/16.
Усл.-печ. л. 1,25 Усл.-изд. л. 1,25. Тираж 70 экз.
Бумага писчая. Заказ № 498.
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского
государственного архитектурно-строительного университета
394006 г. Воронеж, ул. ХХ лет Октября, 84
21
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
17
Размер файла
400 Кб
Теги
механика, конструкции, 146, разрушение, материалы, прочность
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа