2.1.3 Химические свойства материалов

Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми он находится в соприкос-

11

новении, а также некоторых физических ( нагревание, излучение, электрический ток) и биологических ( микроорганизмы, грибки) воздействий .

Наиболее важными для строительных материалов химическими свойствами являются - коррозионная стойкость в эксплуатационной среде и химическая активность. Последнее свойство важно прежде всего для материалов используемых как связующее ( цемент, синтетические смолы и т.д.)

Коррозия - разрушение материалов , вызванное химическими , электрохимическими или биохимическими процессами, протекающими под действием внешней среды.

2.2. Примеры решения задач по основным свойствам строительных материалов

Задача №1.

Масса образца каменного материала неправильной формы в сухом состоянии равна 80 г. После покрытия поверхности образца парафином масса его при взвешивании в воде составила 37 г. На парафинирование образца израсходовано 0,75 г парафина с плотностью 900 кг/м³. Вычислить среднюю плотность каменного материала.

Решение.

Объем камня в естественном состоянии равен разности между объемом воды, вытесненной при погружении в нее парафинированного образца, и объемом парафина, который пошел на покрытие камня. Обозначим массу камня в сухом и погруженном в воду состоянии , массу парафина соответственно m, m_в и m_{п, плотность воды и парафина -} _в и _{п соответственно.}

Тогда естественный объем камня:

V_е= V_в - V_п= ( m - mв)/ в - mп/п

=(80- 37)^10^-3/1000 - 0,75^10^-3/900=4,21710^-5 м³.

Средняя плотность образца

_о= m/V_е =80^10^-3/4,217^10^-5=1897 кг/м³.

Задача №2.

Масса образца легкого бетона в сухом состоянии равна 77 г , после насыщения водой - 79 г, истинная плотность бетона - 2670 кг/м³ , водопоглощение по объему 4,28 %. Вычислить среднюю плотность , пористость , коэффициент плотности материала и оценить его морозостойкость.

Решение.

Водопоглощение по массе образца:

W_m=[( mв- m) / m]100=[( 79- 77) /77 ]100=2,60 %.

Средняя плотность бетона:

о= W_ов/ W_m=4,28 ^1000 /2,60=1646 кг/м³.

12

Пористость:

П= ( 1- о/ )100=( 1- 1646 /2670) 100=38,4 %

Коэффициент плотности образца:

К_р=100-П=100-38,4=61,6 %

Коэффициент насыщения пор :

К_н= W_о/ П=4,28/38,4=0,11

Т.к. коэффициент насыщения пор К_н  0,6  материал морозостойкий.

Задача №3.

Бетонный фундамент высотой 3 м с открытой верхней и нижней поверхностью и гидроизолированными битумом боковым гранями расположен на водоносных грунтах. Оценить необходимость слоя гидроизоляции между фундаментом и стенами здания, если средний радиус пор цементного камня в бетоне составляет 1 мкм, а краевой угол смачивания между цементным камнем и водой равен 10^о.

Решение.

По формуле Жюрена высота поднятия жидкости по капиллярам

равна:

h= 2 cos / (gr).

Учитывая , что

поверхностное натяжение воды _воды = 73 ^10^-3 Н/м ;

радиус капилляра r = 1мкм=10^-6 м;

плотность воды в =1000 кг/м³;

ускорение свободного падения g= 9,8 м/с²,

получаем :

h= 2^73^10^{-3 }cos10^о/(10^{-6 }1000 ^9,8)= 14,5 м.

Т.к. h  3 м горизонтальная гидроизоляции между фундаментом и стенами здания необходима.

Задача №4.

Образец тяжелого бетона массой 2,32 кг был нагрет от 15 до 65 ^оС и затем помещен в термос с 5 л воды , при этом ее температура изменилась от 10 до 15 ^оС. Определить удельную теплоемкость тяжелого бетона.

Решение.

Количество теплоты , пошедшее на нагревание бетона равно количеству теплоты, сообщенному бетоном воде.

13

Q= mвC_в ( t₂- t₁) =5 ^4,19 ^(15-10) =104,75 кДж,

где C_в - удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг К).

Удельная теплоемкость бетона

C_б= Q /mв ( t₂- t₁) =104,75 /2,32 ^(65-15) =0,90 кДж/(кг ^К).

Задача №5.

При определении коэффициента теплопроводности строительного материала в приборе установились следующие постоянные температуры на поверхности образца: t₂=100 ^оС, t₁=20 ^оС. Вычислить коэффициент теплопроводности , если площадь образца S равна 0,25 м², толщина образца l = 5 см, испытание продолжалось 3,5 часа. В течение всего времени на нагревание образца затрачено 1,2 кВтч электроэнергии.

Решение.

Коэффициент теплопроводности можно найти по формуле (16):

= Q l / S  ( t₂- t₁).

Т.к. 1 Вт=1 Дж/с (следовательно 1 кВтч=3,610⁶ Дж энергии) , то с учетом перевода исходных данных в сравнимые единицы получим:

= 1,2 ^3,6^10^60,05/0,25^(100-20) ^3,5 ^3600=0,86 Вт/(м^К).

Задача №6.

Требуется заменить теплоизоляцию из совелитовых плит толщиной 100 мм с коэффициентом теплопроводности 0,091 Вт/(м^К) на теплоизоляцию из минераловатных плит с коэффициентом теплопроводности 0,055 Вт/(м^К). Определить необходимую толщину теплоизоляционного слоя из минеральной ваты.

Решение.

Термическое сопротивление изоляции из совелита составит :

R= _сов/  _сов=0,1/0,091= 1,099 м^2К/Вт

Толщина слоя из минеральной ваты при условии сохранения проектного термического сопротивления составит :

_мв= R ^  _мв= 1,099 ^ 0,055= 0,06 м=60 мм.

14

Задача №7.

Гидравлический пресс имеет две измерительные шкалы на 250 и 500 кН, что соответствует максимальным нагрузкам, развиваемым данным прессом. Подобрать шкалу для испытания на сжатие бетона в образцах кубиках с ребром 15 см после 28 суток нормального твердения, если проектная марка бетона - М150.

Решение.

Предел прочности материала при сжатии определяется по формуле (18):

R_сж=P/S

Следовательно разрушающая нагрузка :

P= R_сж^S.

Марка бетона - это предел прочности на сжатие стандартных образцов ( кубиков с ребром 15 см) через 28 суток твердения в нормальных условиях ( влажность воздуха не менее 90 % и температура 202 ^оС). Т.к. марка выражается в кгс/см²

(1МПа= 10 кгс/см² ), то R_сж=15 МПа.

P =15^10^6 0,15² =337500 Н=337,5 кН

следовательно пресс необходимо настроить на шкалу 500 кН.

Задача №8.

Бетонный прогон прямоугольного сечения шириной 20 см и высотой 40 см , установлен на двух опорах с расстоянием между ними 3 м. Его нагрузили по середине пролета сосредоточенной нагрузкой 150 кН. Разрушится ли конструкция, если предел прочности бетона при изгибе равен 25 МПа?

Решение.

Напряжение , возникающее в бетоне при таком нагружении определяется по формуле:

_изг= 3Pl /(2bh²),

где _{изг -} изгибающее напряжение в материале,

P - усилие ,

l - расстояние между опорами,

b - ширина конструкции,

h - высота конструкции.

После подстановки соответствующих значений получим:

_изг= 3^150000^3 /(2^0,2^0,4²) =21,1^10⁶ Па 21 МПа.

Конструкция не разрушится, так как _изг не превышает предела прочности при изгибе ( R_изг=25 МПа ).

15

Задача №9.

Сравнить , во сколько раз может быть увеличена высота стены h при замене бутовой кладки на кирпичную и монолитный керамзитобетон, если средняя

плотность стеновых материалов _о соответственно равна 2000, 1700 и 1000 кг/м³ , а напряжение сжатия _сж в основании стены не должно превышать при бутовой кладке - 0,5 МПа, при кирпичной - 1 МПа, а для керамзитобетона - 5 МПа . Толщина стены остается неизменной. Расчет вести только на собственный вес стены.

Решение.

Для расчета выделим из стены столб длиной а и толщиной b , м. Нагрузка на основание столба стены от собственного веса составит :

P = abh_оg_.

Из уравнения расчета допустимого напряжения при сжатии в основании стены нагрузка

P = _сжS=_сжab.

При совместном решении этих уравнений получаем допустимую максимальную высоту стены h:

h=_сж/_оg_.

Для того чтобы получить высоту стены в м среднюю плотность материалов подставим в кг/м³, а напряжение сжатия в Па ( 1МПа= 10⁶ Па=Н/м²).

Высота стены при бутовой кладке составит :

h_бут=0,5^10⁶/ 2000^9,8 25 м;

при кирпичной кладке:

h_к=1^10⁶/ 1700^9,8  58,8 м

(увеличение составит 2,3 раза);

а для стены из керамзитобетона:

h_бет=5^10⁶/ 1000^9,8  500 м

(увеличение высоты в 20 раз).

Расчет является условным, В решении не учтен запас прочности, для высоких стен требуется проверка на устойчивость против опрокидывания и выпучивания.

Задача №10.

Какой диаметр должен иметь стальной стержень длиной 1,2 м , если требуется удерживать груз массой 4 т. Вычислить абсолютное удлинение стержня, если допускаемое напряжение при растяжении стали 160 МПа , а модуль упругости составляет 2_*10⁵ МПа.

Решение.

Из уравнения расчета напряжения при растяжении площадь поперечного сечения стержня составит:

S =P/_раст=40000 /160^10⁶ 2,5^10^-4 м²=2,5см².

16

Минимальный диаметр стержня для удерживания груза :

____ _______

D =4S/=4^2,5/ 3,14=1,78 см

Согласно закона Гука (17):

_раст=Е 

Относительную деформацию можно найти по соотношению

=l / l,

Используя приведенные формулы получаем:

l =_раст l / Е=160^1,2/2^10⁵=9,6^10^-4 м=0,96 мм.

Задача №11.

При двукратном удлинении резинового жгута в нем создано напряжение

10 МПа . После выдержки жгута в этом положении в течении 30 суток напряжение уменьшилось до 6 МПа. Определить постоянную времени релаксации и действующее напряжение после выдержки жгута в течение 180 суток.

Решение.

Из уравнения релаксации внутренних напряжений:

=_о* е^–t/k (20)

можно выразить постоянную времени релаксации:

k=-t/ ln(/_о) =-30/ln(6/10)=58,759 суток.

Напряжение после выдержки в течение 180 суток:

₁₈₀=_о* е^–t/k=10_* е^{–}=0,47 МПа.