I часть. Группы древесных пород 1 страница
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие написано в соответствии с учебным планом общего курса «Архитектурное материаловедение» для студентов, обучающихся по направлению «Архитектура». По своему содержанию и направлению учебное пособие должно обеспечить углубленные знания по испытанию строительных материалов.
Данное учебное пособие является переработанным и дополненным, в нем приведены научные основы архитектурного материаловедения во взаимосвязи со сведениями прикладного характера, касающимися материалов, изделий и конструкций.
Качество, долговечность и стоимость сооружений в большой мере зависят от правильного выбора и применения материалов. Для рационального использования строительных материалов архитектор должен знать свойства материалов и назначение каждого из них. Это дает возможность архитектору: выбрать материал с соответствующими свойствами для каждой части сооружения с учетом эксплуатационной среды; правильно применить наилучшие приемы его обработки и укладки в сооружение; при необходимости заменить один материал на другой без ухудшения качества сооружения; организовать правильное транспортирование и хранение материалов без снижения их качества.
Учебное пособие содержит темы лабораторных работ, соответствующие основным разделам Государственного образовательного стандарта по направлению «Архитектура» и рабочей учебной программе по дисциплине «Архитектурное материаловедение».
ВВЕДЕНИЕ
Производство строительных материалов и изделий отличается большим многообразием видов и широким ассортиментом продукции. Архитектор должен уметь хорошо разбираться в обширной номенклатуре этой продукции, выбирать наиболее эффективные и подходящие ее виды с учетом качественных показателей, владеть знаниями в области технологии строительных материалов.
Научиться оценивать качество материалов, находить возможные пути регулирования и управления этим качеством и уметь определить области рационального применения материалов в практике современного строительства можно только на основе глубокого изучения связи между составом, строением и свойствами материала.
Для проведения лабораторных исследований необходима тщательная теоретическая и методическая подготовка студентов. Лабораторные работы по основным темам и разделам дисциплины «Архитектурное материаловедение» позволяют расширить, углубить и закрепить знания, полученные на лекциях, и активизировать самостоятельную работу студентов.
Учебное пособие составлено таким образом, что в описании лабораторных работ по каждой теме содержатся:
− общие сведения об изучаемом материале с формулировкой задач исследования;
− цель лабораторной работы;
− порядок выполнения лабораторной работы;
− описание методов испытаний материалов;
− указания по составлению выводов и рекомендаций, которые могут быть получены в результате исследования;
− тестовые контрольные вопросы для проверки готовности студентов к лабораторным работам и промежуточной аттестации.
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТ
Лабораторные занятия продолжительностью 2 часа проводятся с подгруппой студентов, состоящей из 8…16 человек, которые получают общее задание на работу. Части общего задания выполняют 4 звена по 2…4 человека в каждом.
Выполнению лабораторных работ предшествует собеседование по теоретическим и методическим вопросам, которые изучаются студентами самостоятельно. Для контроля подготовки студентов к работе используются контрольные вопросы в виде тестов, которые составлены по принципу многовариантного ответа. На каждый контрольный вопрос имеется 4 ответа и только один − правильный.
При выполнении работ назначается дежурное звено студентов, которое несет ответственность за сохранение и исправность приборов, оборудования и инструментов. По окончании работ каждому звену необходимо привести в порядок свое рабочее место, сдать дежурному звену, который, в свою очередь, сдает приведенную в порядок лабораторию лаборанту.
ОТБОР ПРОБ
Для определения качества материалов в лабораторных условиях испытывают, как правило, не весь материал, а лишь некоторую ее часть (средняя проба). Средней пробой называется небольшая часть материала, отбираемая определенным образом от его общей массы, материал при этом называется опробуемым. Свойства средней пробы должны полностью соответствовать свойствам испытываемого материала той партии, от которой она была отобрана.
Партией считается определенное количество материала (по массе, по объему, в штуках), которое определено соответствующими нормативными и технологическими документами. В этих же документах регламентированы правила отбора и величина средней пробы для определения качества материала.
Пробы штучных материалов (кирпич, камни, блоки и т.п.) отбирают по нескольку штук из разных мест партии. Пробы сыпучих рыхлых материалов (песок, щебень, гравий, цемент, гипс) отбирают специальными щупами-пробоотборниками из каждого вида тары из разных мест по площади и глубине слоя. Это количество материала называется первичной средней пробой. Затем из нее отбирают среднюю лабораторную пробу путем сокращения объема до количества, достаточного для выполнения испытаний двукратной повторности. Чаще всего это делается путем квартования: тщательно перемешанную пробу насыпают на ровную площадку в виде правильного усеченного конуса, который делят на 4 равные части двумя взаимно пересекающимися плоскостями. Две противоположные части отбрасывают, а оставшиеся соединяют вместе. Перемешивают и, если это необходимо, опять подвергают квартованию до получения двойного количества лабораторной пробы. Одну половину пробы подвергают лабораторным испытаниям, а вторую половину пробы хранят как арбитражную.
ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТЫ
Для определения физико-механических свойств изучаемых материалов применяют различное оборудование и инструменты.
Для определения линейных размеров применяют:
− металлические линейки с погрешностью измерения 1 мм;
− штангенциркули с погрешностью измерения 0,05 мм (на рис. 1 приведены примеры снятия показаний);
− микрометры с погрешностью измерения 0,01 мм (рис. 2);
− микроскопы с погрешностью измерения 0,001 мм.
Если измеряемый образец имеет форму куба или параллелепипеда, то каждую грань измеряют в трех местах по высоте. За окончательный размер каждой грани принимают среднее арифметическое трех измерений. Если образец имеет форму цилиндра, то его диаметр устанавливают как среднее арифметическое двух взаимно-перпендикулярных диаметров, измеренных посередине высоты цилиндра.
Для определения массы образцов или проб применяют весы. В зависимости от величины погрешности и определяемой массы взвешивание производится на весах различных типов:
− торговые весы с погрешностью измерения 5 г;
− лабораторные электронные весы с погрешностью измерения 0,02 г;
− квадрантные лабораторные весы с погрешностью измерения 0,01 г.
Рис. 1. Штангенциркуль: 1 – линейка; 2 – неподвижная ножка; 3 – подвижная ножка; 4 – добавочная шкала-нониус
Рис. 2. Микрометр: 1− скоба; 2 − неподвижная плоскость; 3 − подвижная плоскость; 4 − винт; 5 − стебель; 6 − шкала; 7 − гильза; 8 − трещотка; 9 − тормоз
Обязательное условие для всех типов весов – постоянное место, с которого их переносить не разрешается. Весы устанавливаются по отвесу или уровню. Всякое взвешивание должно производиться в какой-нибудь таре, масса которой должна быть известна до начала взвешивания.
Для сушки образцов и проб строительных материалов применяются сушильные шкафы различных типов с температурой нагрева до 150 оС. Для автоматического поддержания заданной температуры сушильный шкаф должен быть снабжен терморегулятором.
Для определения прочности строительных материалов с разрушением образцов применяются механические, гидравлические или ручные прессы.
Для определения прочности строительных материалов неразрушающими методами применяются склерометры, твердомеры и др.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
В строительстве, начиная с производства строительных материалов и кончая возведением зданий и сооружений, используются измерения различных видов.
Измерение – последовательность сложных и разнородных действий по отношению к объекту измерения.
Измеряют массу и плотность, силу и давление, температуру, параметры электрического тока и другие физические величины (табл. 1). Для измерения основных физических величин используют стандартные измерительные средства с известными метрологическими характеристиками и отработанной организацией поверочных работ. Применяемые измерительные средства имеют, как правило, некоторый запас по точности, т.е. погрешность измерения в 5…10 раз, а иногда в 20…30 раз меньше, чем заданный допуск на измеряемый параметр.
Таблица 1
Средства измерений, применяемые в строительстве и архитектуре
| Типовые средства измерений | Измеряемые параметры |
| Линейки, метры, рулетки, микроскопы, штангенциркули, скобы. Спектрофотометры, светодальномеры, оптические дальномеры, щупы оптические и др. | Линейные и угловые величины: механические; оптические |
| Интерферометры, микронивелиры, лекальные линейки, плоскомеры, контрольные рейки, уровни, автоколлиматоры | Отклонения формы поверхности, плоскостности, прямолинейности |
| Весы, гири | Масса |
| Прессы, копры, динамометры, твердомеры, силоизмерительные машины, склерометры | Прочность, твердость, сила |
| Пикнометры, ареометры, денсиметры, приборы неразрушающего контроля | Плотность |
| Вискозиметры, дуктилометры, конусы, пенетрометры | Вязкость |
| Термометры ртутные и сопротивления, термопары | Температура |
| Дилатометры, колориметры | Теплофизические величины |
| Влагомеры, психрометры, рефрактометры, поляризационные микроскопы | Влажность, показатели преломления |
| Шумомеры, виброметры | Акустические величины |
| Амперметры, вольтметры, омметры, конденсаторы | Электрические величины |
| Часы, секундомеры, реле времени, вибрографы, частотомеры | Время и частота |
| Виброметры, вибростенды, тахометры, анемометры | Параметры движения |
| Расходомеры, счетчики, дозаторы, меры вместимости | Расход и количество |
| Манометры, напорометры, тягомеры | Давление |
| Климатические камеры, разрывные, усталостные, универсальные машины, вибростенды | Испытания материалов, изделий и конструкций |
Однако при определении специальных свойств различных строительных материалов стандартные измерительные средства применяются в качестве вспомогательных в комплексе со специальными приборами, разработанными только для данного испытания. Точность определения заданного параметра при этом зависит, как правило, от ряда специальных операций, выполняемых при испытаниях.
Большинство методов и средств испытаний строительных материалов регламентированы только строительными стандартами и не проходили метрологическую экспертизу. Например, при определении подвижности и жесткости бетонной смеси, морозостойкости бетона, прочности бетона с использованием неразрушающих методов погрешность измерений остается неизвестной и допуск на определяемый параметр, как правило, не задан.
При определении наиболее ответственных функциональных параметров, например, прочности бетона при разрушении контрольных образцов, учитываются возможные отклонения от значений, полученных при испытании. Область технологического рассеивания результатов здесь изучена хорошо. Погрешность стандартного измерительного средства (пресса) ничтожно мала по сравнению с рассеиванием, связанным с неоднородностью материала, и не учитывается при расчете гарантированной прочности.
Измерения – один из важнейших путей познания природы человеком. Наука и промышленность не могут существовать без измерений. Диапазон измеряемых величини их количество постоянно растут. При этом возрастает и сложность измерений. Измерительная технология как последовательность действий направлена на получение информации требуемого качества.
Значимость измерений – вторая причина важности измерений. Основа любой формы управления, анализа, прогнозирования или регулирования – достоверная исходная информация, которая может быть получена лишь путем измерения требуемых физических величин, параметров и показателей. Только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений. Современные науки и техника позволяют выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми с затратами на исполнительные операции.
В основе измерения физических величин лежит метрология – наука об измерениях, об обеспечении их единства, о методах и средствах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Основные статьи Закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» устанавливают: организационную структуру государственного управления обеспечением единства измерений; нормативные документы по обеспечению единства измерений; единицы величин и государственные эталоны единиц величин; средства и методики измерений.
Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
Средство измерений – техническое устройство, предназначенное для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой физической величины. Средство измерений − понятие, объединяющее самые разнообразные конструктивно законченные устройства, обладающие одним из двух признаков: вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины и воспроизводят величину заданного размера (см. табл. 1).
Свойство – категория, выражающая такую сторону объекта, которая обусловливает его различие или общность с другими объектами и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство – категория качественная. Для количественного выражения вводится понятие величины. Величина не существует сама по себе и имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выражаемыми данной величиной.
Физическая величина (ФВ) – характеристика свойства физического объекта, общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.
Размер физической величины (числовое значение) – количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физической величины. Например, каждое тело имеет свою массу и тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас физической величины.
Значение физической величины–оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Единица физической величины (единица измерения) – ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1.
Основная физическая величина – физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.
Система физических величин – совокупность физических величин, связанных между собой зависимостями.
Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами.
При проведении измерений следует учитывать номинальные значения ФВ при нормальных условиях (табл. 2). В случае отклонений от этих условий следует вводить поправку на систематическую погрешность.
Таблица 2
Номинальные значения ряда физических величин
| Влияющая величина | Значение |
| Температура для всех видов измерений, оС (К) | 20 (293) |
| Давление окружающего воздуха для измерения ионизирующих излучений, теплофизических, температурных, магнитных, электрических измерений, измерения давления и параметров движения, кПа (мм рт. ст.) | 100 (750) |
| Давление окружающего воздуха для линейных, угловых измерений, измерения массы, силы света и измерений в других областях, кроме указанных выше, кПа (мм рт. ст.) | 101,3 (760) |
| Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерения массы, измерений в спектроскопии, % | |
| Относительная влажность воздуха для измерения электрического сопротивления, % | |
| Относительная влажность воздуха для измерений температуры, силы твердости, переменного электрического тока, ионизирующих излучений, параметров движения, % | |
| Относительная влажность воздуха для всех видов измерений, кроме указанных выше, % | |
| Плотность воздуха, кг/м3 | 1,2 |
| Ускорение свободного падения, м/с2 | 9,8 |
| Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (В/м) для измерений параметров движения, магнитных и электрических величин | |
| Магнитная индукция (Тл) и напряженность электростатического поля (В/м) для всех видов измерений, кроме указанных выше | Соответствует характеристикам поля Земли в данном регионе |
| Частота питающей сети переменного тока, Гц | 50 ± 1 |
| Напряжение питающей сети переменного тока, В | 220 ± 10 |
В Российской Федерации используется система единиц средств измерений «Systeme International unites», введенная ГОСТ 8.417 «ГСИ. Единицы физических величин».
Различают системные и внесистемные единицы измерений.
К системным единицам измерений относятся (табл. 3):
− основные (условно независимые) единицы измерений – длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света;
− производные(условно зависимые) единицы измерений – частота, сила, давление, энергия, мощность, количество электричества, электрическое напряжение, электрическая емкость, электрическое сопротивление, электрическая проводимость, поток магнитной индукции, магнитная индукция, индуктивность, световой поток, освещенность, активность радионуклида, поглощенная доза ионизирующего излучения, эквивалентная доза излучения.
− дополнительные единицы измерений – плоский угол, телесный угол.
Таблица 3
Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ
| Величина | Единица | ||||
| обозначение | |||||
| наименование | размерность | рекомендуемое обозначение | наименование | русское | международное |
| Основные | |||||
| Длина | L | l | метр | м | m |
| Масса | M | m | килограмм | кг | kg |
| Время | T | t | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | I | I | ампер | А | А |
| Термодинамическая температура | Θ | T | кельвин | К | К |
| Количество вещества | N | n, v | моль | моль | mol |
| Сила света | J | J | кандела | кд | cd |
| Дополнительные | |||||
| Плоский угол | – | – | радиан | рад | rad |
| Телесный угол | – | – | стерадиан | ср | sr |
К внесистемным единицам измерений относятся:
− единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ (тонна, градус, минута, час, сутки, секунда, литр);
− единицы, допускаемые к применению в специальных областях (морская миля; карат; мм. рт. ст.; л. с.; световой год; парсек; диоптрия; астрономическая единица; гектар; электрон-вольт; вольт-ампер; реактивная мощность; атомная единица массы и некоторые др.).
Различают кратные и дольные единицы физических величин. Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Дольная единица − единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы (табл. 4).
Конечная цель измерения–получение количественной информации об объекте измерения.
Таблица 4
Множители и приставки для образования десятичных
кратных и дольных единиц и их наименований
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | Множитель | Приставка | Обозначение приставки | ||
| международное | русское | международное | русское | ||||
| 1018 | экса | Е | Э | 10–1 | деци | d | д |
| 1015 | пета | Р | П | 10–2 | санти | c | с |
| 1012 | тера | Т | Т | 10–3 | милли | m | м |
| 109 | гига | G | Г | 10–6 | микро | μ | мк |
| 106 | мега | M | М | 10–9 | нано | n | н |
| 103 | кило | k | к | 10–12 | пико | p | п |
| 102 | гекто | h | г | 10–15 | фемто | f | ф |
| 101 | дека | da | да | 10–18 | атто | а | а |
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Перед началом работ преподаватель проводит общий инструктаж по технике безопасности проведения лабораторных работ. Студенты, получившие инструктаж, должны расписаться в специальном журнале. После этого, они допускаются к проведению лабораторных работ и при этом обязуются выполнять следующие правила:
− перед началом занятий ознакомиться с заданием, применяемым оборудованием, инструментом и материалами;
− немедленно сообщить преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях и нарушениях правил техники безопасности;
− не трогать, не включать без разрешения преподавателя или лаборанта рубильники, пускатели и другие электрические приборы и оборудование;
− при выполнении работ использовать защитную рабочую одежду (халаты, фартуки), имеющиеся в лаборатории;
− выполнять в лаборатории только ту работу, которая поручена, не загромождать свое рабочее место оборудованием и материалами, не относящимися к выполняемой работе;
− запрещается оставаться в лаборатории одному, обязательное присутствие второго лица необходимо для оказания помощи при несчастном случае, пожаре и т.п.;
− если произошел несчастный случай, немедленно сообщить об этом преподавателю или лаборанту для оказания помощи и составления акта.
ОТЧЕТ
При выполнении лабораторной работы студент (звено) заполняют журнале, в который следует включать:
− наименование и цель работы;
− краткие общие сведения об исследуемом материале и технические требования к нему;
− краткое описание выполненной работы, используемых приборов и оборудования, методик испытаний;
− результаты исследований, полученных всей подгруппой, в виде сводных таблиц и графических зависимостей;
− анализ результатов работы с общими выводами и рекомендациями.
Защита лабораторных работ осуществляется по мере завершения отдельных работ или на итоговом занятии.
Студенты, пропустившие занятия, должны отработать их в конце семестра по графику.
Лабораторная работа № 1
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Общие сведения
Природные каменные материалы – строительные материалы, получаемые из горных пород путем механической обработки или без нее. Под механической обработкой понимают процессы, направленные на изменение формы и размеров массивных горных пород путем раскалывания, дробления, распиливания, шлифования, полирования, просеивания и т.д. Получаемые при этом строительные материалы должны сохраняют свойства исходной горной породы.
В табл. 5 приведены сведения о применении горных пород в строительстве и архитектуре.
Для оценки свойств природных каменных материалов и выбора области их применения необходимо знать свойства и строение исходных горных пород и слагающих их природных минералов.
Природные минералы – образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свойства.
В земной коре находится более 3000 минералов и их разновидностей. Большинство их них встречаются редко и лишь немногие (около 100) встречаются часто, в достаточно больших количествах, и входят в состав горных пород. Такие минералы называют породообразующими.
Таблица 5
Применение горных пород в строительств
| Материал | Наименование породы | Метод переработки |
| Бутовый камень | Гранит, известняк, диорит, песчаник | Взрыв, выломка, раскалывание |
| Камни для гидросооружений | Гранит, диорит, диабаз, габбро | Взрыв, выколка, распиливание |
| Бортовые камни, булыжник | Гранит, диорит, диабаз, габбро | Раскалывание, вытесывание |
| Камни и блоки для кладки стен | Пористые известняки, известняки-ракушечники | Распиливание |
| Плиты и камни для облицовки стен | Гранит, габбро, лабрадорит, мрамор, кварцит, магнезит | Распиливание, полирование, раскалывание, шлифование |
| Щебень | Гранит, диорит | Дробление, рассев |
| Гравий | Рыхлые залежи гравия | Просеивание |
| Песок | Рыхлые залежи песка | Просеивание |
| Вяжущие вещества | Глина, известняк, гипс, мергель, магнезит, доломит | Дробление, помол, обжиг |
| Керамика | Глина | Помол, обжиг |
| Каменное литье | Гранит, диорит, диабаз, габбро | Измельчение, плавление |
Структура минералов. Природные минералы в большинстве имеют кристаллическое строение, и лишь некоторые – аморфное. Минералы обладают однородностью строения, состава и свойств. Свойства кристаллических минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропность) или разными по различным направлениям (анизотропность). Аморфные минералы не имеют кристаллической решетки и по своим свойствам являются изотропными.
Химический состав минералов. Каждый минерал имеет свой химический состав. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава; но, как правило, они имеют различное внутренне строение, а, следовательно, и различную внешнюю форму.