Методические указания к выполнению контрольной работы. Контрольная работа разработана по 25 вариантам заданий, которые включают в себя один теоретический вопрос комплекс-ного характера, охватывающий несколько тем изучаемой дисци-плины и два расчетных задания (задачи). Номер варианта задания принимается по двум последним цифрам номера зачетной книжки (приложение 2). Реферативный ответ на предложенный вопрос должен со-держать не менее 10 страниц рукописного либо машинописного текста, иллюстрироваться рисунками, схемами и конкретными примерами.
Выполненная контрольная работа сдается студентами на кафедру ЭиМГХ или высылается в университет до начала лабо-раторно-экзаменационной сессии.
Без выполненной контрольной работы студенты к сдаче за-чета по дисциплине «Материа ловедение» не допускаются.
Ниже приведены краткие методические указания по выпол-нению расчетных заданий.
Задачи 1-20 относятся к теме 1.1. «Общие свойства материа-лов» и посвящены определению основных физических характе-ристик материалов: средней и истинной плотности, пористости, водопоглощения.
Средняя плотность материала определяется по формуле (1) uде γ - средняя плотность материала, г/см3 mc – масса образца в воздушно сухом состоянии, г; Vest – объем образца в естественно плотном состоянии, г/см3. Объем образцов правильной формы подсчитывается путем перемножения соответствующих размеров (2) где a, b, h – линейные размеры (длина, ширина, высота) образца, см. Объем образцов неправильной формы и сыпучих материалов, точные линейные размеры которых определить затруднительно, определяется по объему вытесненной воды, который равен разно-сти между массой образца при взвешивании на воздухе и массой при взвешивании в воде, разделить на плотность воды (3). (3) где mb – масс а образца погруженного в воду, г; ρb – плотность воды равная 1г/см3. Пористость рассчитывают как отношение средней и истиной плотности ρ и γ. (4) Здесь P – число пористости, %; ρ – истинная плотность материала, г/см3; γ - средняя плотность материала, г/см3. Водопоглощение по массе (Вм) представляет собой отноше-ние массы поглощенной воды к массе сухого образца (4) Масса поглощенной воды определяется как разность массы насыщенного водо й образца (m1) и массы образца в сухом со-стоянии (m). Водопоглощение по объему (Во) – отношение массы и объ-ема поглощенной воды, его называют еще кажущейся пористо-стью, так как численное значение водопоглощения по объему обычно меньше пористости за счет наличия закрытых пор, не за-полняемых водой. (5) Задачи 21-25 относятся к теме 1.4. «Минеральные вяжущие вещества». Для их решения необходимо знать химические фор-мулы образующихся веществ и реакции их получения: ре акции разложения при обжиге известняков для получения извести (6) , реакцию гашения извести (взаимодействия с водой) (7), реакцию гидратации полуводного гипса (8) и дегидратации природного (двуводного) гипса при превращении его в ангидритовое вяжущее (9). Затем определяются соотношения молекулярных масс (М) исходных и образовавшихся веществ, например для СaCO3 M=40+12=16х3=100 а.е.м (атомных единиц массы). Далее по свойству пропорции определяется искомое в задаче колич ество, то есть масса вещества в граммах.
При необходимости масса сырьевых компонентов, участвующих в реакции, корректируется (уменьшается либо увеличивается) на значения влажности. (6) (7) (8) (9) Задачи 26-35 относятся к теме 1.5.: «Искусственные камен-ные материалы на основе вяжущих.
Расчет прочности и состава бетонов» Недостающие данные, которые требуется найти в таблице, определяются с использованием формул (10, 11) проф. Б.Г. Са-крамтаева: для бетонов с Ц/ В<= 2,5 (10) для бетонов с Ц/В>2,5) (11) где Rц – активность цемента; Rб – марка бетона, определяемая по прочности бетона в воз-расте 28 суток нормального твердения; А, А1 – коэффициенты, характеризующие качество исполь-зуемых заполнителей и цемента.
Для бетонов характерно увеличение прочности с течением времени, нарастание прочности происходит по логарифмическому закону: (12) где Rn – прочность бетона в возрасте n суток, R28 –марка бе тона, n –число дней твердения.
Для проектирования состава бетонной смеси определяем расходы мелкого и крупного заполнителя, исходя из следующих положений.
Объем 1м3 (1000 дм3) плотно уложенного бетона слагается из объема зерен мелкого и крупного заполнителей и це-ментного теста, заполняющего пустоты между зернами запол-нителей, что выражается уравнением абсолютных объемов (4): (13) где Ц, В, П, Щ – расходы соответственно цемента, воды, песка и крупного заполните ля (щебня), кг; рц, рп, рщ – истинные плотности этих материалов, кг /м3. Пустоты между зерен должны быть заполнены раствором.
При равенстве растворной смеси объему межзерновых пустот та-кую бетонную смесь уложить нельзя, так как зерна не будут склеиваться между собой из-за отсутствия свободного цементного слоя на поверхности зерен.
Каждое зерно должно обволакиваться цементом или растворной смесью, однако при этом зерна раздвигаются, то есть увеличивается объем межзерновых пустот. Увеличение объема межзерновых пустот учитывается коэффици-ентом раздвижки зерен (Кразд). Данное положение иллюстрируется выражением (14). (14) где рнщ - насыпная плотность щебня; Vпуст – пустотность крупного заполнителя, определяемая по формуле (15): (15) Коэффициент раздвижки для пластичных смесей опреде-ляется по таблице в зависимости от объема цементного теста (по формуле 16 и таблице 1 ): (16) Таблица 1 Значения Кразд для пластичных бетонных смесей Vцт, дм3 20 0 225 250 275 300 325 350 375 400 Кразд 1,2 1,25 1,32 1,36 1,42 1,45 1,48 1,53 1,55 Решая совместно уравнения (13) и (14) получаем формулу для определения расхода крупного заполнителя: (17) Расход мелкого заполнителя (песка) определяем из формулы (18) (18) Найденный состав бетона в виде расхода основных компо-нентов выражают в виде соотношения (10) основных компонентов к массе цемента. 1: В/Ц : П/Ц: Щ/Ц (19) Задачи 36-50 относятся к теме 1.6. «Металлические мате-риалы и сплавы» - определение прочности, твердости и марки стали.
Характеристикой пластичности стали являются предел прочности на разрыв, относительное остаточное удлинение и от-носительное сужение при разрыве.
По пластичности устанавли-вается марка конструкционной стали обыкновенного качества (см. таблицу 2). Относительное остаточное удлинение определяется по фор-муле: (20) где l0;1- начальная расчетная длина и расчетная длина после раз-рыва, мм, соответственно.
Относительно е остаточное сужение (21) где S0;1 – площадь поперечного сечения образца до и после раз-рыва, мм2, соответственно.
Предел прочности определяется как отношение максимальной нагрузки, приложенной к стальному образцу-стержню разрывной машиной, в момент разрыва к площади поперечного сечения шейки образца. (22) где σp – механическое напряжение (предел прочности на разрыв) кгс/мм2, (МПа) Fmax - максимальное усилие, приложенное к образцу, в момент разрыва, кгс, (Н). Таблица 2 Технические требования к маркам стали Марка стали Предел проч-ности, Rпч, МПа Относительное оста-точное удлинение после разрыва, не менее Содержание углерода, % Ст 1 310-420 35 0,06-0,12 Ст 2 330-440 33 0,09-0,15 Ст 3 370-500 27 0,14-0,22 Ст 4 410-540 25 0,18-0,27 Ст 5 500-600 20 0,28-0,37 Ст 6 >600 15 0,38-0,49 Ст 0 >310 23 <0,23 Твердость является косвенной характеристикой прочности, они находятся в соотношении (23) где HB – число твердости по методу Бринелля, кгс/мм2, (МПа) Твердость по Бринеллю определяют, вдавливая в шлифо-ванную поверхность образца стальной закаленный шарик.
Диаметр D шарика выбирают в зависимости от толщины образца равным 10; 5 или 2,5 мм. Нагрузку на шарик (F), в зави-симости от ожидаемой твердости стали, берут равной 30D2; 10D2 или 2,5D2 кгс. Время действия нагрузки -10 с. Число твердости по Бринеллю: (24) Ssf– площадь сферической поверхности отпечатка (25) 4.