Sprawozdanie

Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Lądowej Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych
PRZEDMIOT: Materiały budowlane
TEMAT: Badania wybranych cech mechanicznych materiałów budowlanych				Zespół 2 1. 2. 3. 4.
Rok 2005/2006	Grupa 6/I	Semestr I	Ocena:	Nr ćwiczenia 5	Prowadzący: Mgr inż. Anna Chudan
						Studia dzienne

Spis treści

Przedmiot badania

Przedmiotem badania jest oznaczenie wybranych cech mechanicznych materiałów budowlanych. W celu dopuszczenia materiału do celów budowlanych niezbędne jest sprawdzenie jego właściwości mechanicznych. Są one bardzo ważne, ponieważ charakteryzują materiał i na ich podstawie możemy ocenić czy spełnia on określone wymagania czy też nie.

Właściwości mechaniczne związane są z działaniem sił zewnętrznych na materiał, które wywołują w materiale powstawanie naprężeń. Wytrzymałością materiału nazywamy szereg cech, które przeciwstawiają się niszczącemu działaniu naprężeń wywołanych siłami zewnętrznymi, tj. obciążeniem, wpływem temperatury lub czynników atmosferycznych (wiatr, opady) itp. W zależności od sposobu oddziaływania siły zewnętrznej na konstrukcję, materiał z którego jest wykonana konstrukcja może znajdować się w warunkach powstawania naprężeń ściskających, rozciągających, zginających, ścinających oraz naprężeń od sił uderzających w materiał.

Badanie, którego dotyczy to sprawozdanie, miało na celu oznaczenie niektórych cech mechanicznych danych próbek: zaprawy cementowej, aluminium oraz drewna brzozowego. Są to materiały, które cechują się bardzo dużym zastosowaniem w budownictwie. W dalszej części sprawozdania badane cechy wyróżnione są poprzez podkreślenie.

Metody badania

Badanie wytrzymałości na zginanie

Wytrzymałość na zginanie (R_g) jest to stosunek momentu zginającego próbkę do wskaźnika wytrzymałości przekroju. Wytrzymałość na zginanie określa się w MPa i wylicza się ze wzoru:

gdzie: M - moment zginający, [N∙m]

W - wskaźnik wytrzymałości przekroju, [m³]

(
, ale Pa x 10^-6 = MPa)

Przy małych siłach łamiących badanie wykonuje się za pomocą aparatu Michaelisa. Do badania używa się próbek w kształcie beleczek. Przebieg obliczeń przedstawimy na podstawie poniższego schematu.

Schemat próbki przeznaczonej do badania wytrzymałości na zginanie w aparacie Michaelisa.

Dla przekroju przedstawionego na schemacie wskaźnik (W) oblicza się ze wzoru:

W przypadku, gdy b = h to
, natomiast
.

Najczęściej wymiary próbek wynoszą 4x4x16 [cm]. Na podstawie tego możemy wyliczyć, że:

R_g = 2,34*P [MPa], gdy siła P jest w kN,

R_g= 0,0234*P [MPa], gdy siła P jest w kG.

Badanie wytrzymałości na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie (R_c) określa się jako największe naprężenie, jakie przenosi próbka badanego materiału podczas zgniatania. Podaje się ją w MPa i oblicza ze wzoru:

gdzie: P_n - siła statyczna niszcząca próbkę [kN],

F - pole powierzchni ściskanej [cm²].

Badanie przeprowadza się w maszynach wytrzymałościowych do prób statycznych. Wytrzymałość na ściskanie sprawdza się na próbkach krępych różnego kształtu (kostki, walce, graniastosłupy, całe wyroby), których wielkość zależy od rodzaju materiału budowlanego.

Schemat próbki przeznaczonej do badania wytrzymałości na ściskanie.

Badanie udarności

Udarność (U) jest to stosunek pracy zużytej do złamania próbki do iloczynu wymiarów poprzecznych łamanej próbki. Określa się ją w jednostkach [J/m²] i oblicza ze wzoru:

gdzie: A - praca użyta na złamanie próbki [J],

a,b - wymiary poprzeczne próbki [m].

Próbki stosowane do badania mogą mieć przekrój kwadratowy, prostokątny, lub okrągły. Badanie wykonuje się stosując aparat Charpy'ego (młot Charpy'ego), w którym środek próbki jest obciążony dynamicznie młotem wahadłowym aż do zniszczenia próbki.

Badanie twardości

Twardość jest to odporność materiału na odkształcenie wywołane działaniem skupionego nacisku na powierzchnię ciała. Rozróżnia się trzy metody badania twardości:

Metoda Mohsa

Badanie polega na zarysowaniu powierzchni badanego materiału kamiennego jednym z kolejnych minerałów o określonym stopniu twardości. Za stopień twardości badanej próbki uznaje się stopień minerału poprzedzającego ten, który zarysował próbkę.

Skala Mohsa:

1. talk

2. gips

3. kalcyt

4. fluoryt

5. apatyt

6. ortoklaz

7. kwarc

8. topaz

9. korund

10. diament

Metoda Janki

Badanie polega na wciskaniu w drewno stalowej kulki o średnicy 11,284 mm, co daje powierzchnię przekroju średnicowego wynoszącą 1cm³. Czas wykonania jednego wcisku powinien wynosić 2 minuty. Siła odczytana na siłomierzu maszyny probierczej i wyrażona w kG/cm² lub kN/cm² (pole przekroju wynosi 1cm², więc twardością jest bezpośrednio wartość uzyskana siły) stanowi liczbę twardości.

Metoda Brinella

Metoda Brinella polega na wciskaniu w powierzchnię badanego materiału wgłębnika kulkowego z hartowanej stali o średnicy D pod obciążeniem P. Podstawą do określania twardości jest średnica trwałego odcisku d mierzona po odciążeniu.

gdzie: P - siła obciążająca [N],

D - średnica wgłębnika kulkowego [mm],

d - średnica odcisku [mm].

Badanie wytrzymałości na rozciąganie

Wytrzymałość na rozciąganie (R_r) jest to największe naprężenie, jakie przenosi próbka badanego materiału podczas rozciągania. Określa się ją w MPa i oblicza ze wzoru:

gdzie: P_r - siła niszcząca próbkę [N],

F - pole powierzchni rozciąganej [mm²].

Przykład próbki przeznaczonej do badania wytrzymałości na rozciąganie.

Do tego badania stosuje się próbki wydłużone z przewężeniem (kształt ósemki; długie, cienkie beleczki). Wytrzymałość materiału na rozciąganie możemy obliczyć znając jego twardość, stosując wzór:

Rr = α∙HB

gdzie: współczynnik α ∈ (0,26 - 0,31),

HB - twardość wyznaczona metodą Brinella.

Badanie ścieralności

Ścieralność jest to podatność materiału na ścieranie. Ścieralność można podzielić n statyczną i dynamiczną.

Badanie ścieralności statycznej dotyczy naturalnych i sztucznych materiałów kamiennych, płytek ceramicznych oraz drewna i materiałów drewnopochodnych. Do oznaczania stosuje się próbki kształtu sześcianu o krawędzi ok. 7 cm. Badanie ścieralności statycznej drewna wykonuje się w maszynie Alpha, natomiast materiałów kamiennych oraz ceramicznych w urządzeniach z tarczą Boehmego.

Ścieralność dynamiczną określa się dla kruszywa kamiennego w bębnie Dedala i bębnie kulowym Los Angeles.

Badanie sprężystości

Sprężystość jest to zdolność materiału do przyjmowania pierwotnej postaci po usunięciu siły zewnętrznej, pod wpływem której próbka materiału zmieniła swój kształt. Właściwości sprężyste materiału określa się współczynnikiem sprężystości E obliczanym ze wzoru:

- naprężenie powstające przy rozciąganiu (lub ściskaniu) siłą P [N] próbki o przekroju F [mm²], gdzie
,

ε - odkształcenie sprężyste, gdzie
.

Badanie kruchości

Kruchość (k) jest to stosunek wytrzymałości na rozciąganie (R_r) do wytrzymałości na ściskanie (R_c). Materiał określa się jako kruchy, gdy k jest mniejsze od 0,125, czyli jeżeli R_c jest 8 razy większe od R_r.

Wyniki badań

Lp.	Oznaczenie	Rodzaj materiału	Urządzenie, aparatura	Dane do obliczeń	Obliczenia i wyniki z oznaczeń
1.	Wytrzymałość na zginanie Rg, [MPa]	Zaprawa cementowa	Aparat Michealisa	P=86 kG	Rg = 0,0234∙86 Rg = 2,01
2.	Wytrzymałość na ściskanie Rc, [MPa]	Zaprawa cementowa	Prasa hydrauliczna	P1 = 40,4 kN P2 = 36,4 kN Pśr = 38,4 kN F = 16 cm^2	Rc = Rc = 24
3.	Twardość HB, [MPa]	Aluminium	Twardzość Brinnella	P = 1840 N D = 5 mm d = 2 mm	HB = 561,24
4.	Udarność U, [J/m^2]	Drewno (brzoza)	Młot Charpiego	A = 0,5 kg∙m a = 0,0236 m b = 0,0074 m	U = 28086,35

Wnioski

• Siły statyczne niszczące próbkę podczas badania wytrzymałości na ściskanie różnią się aż o 4 N. Z tego wynika, że badany materiał jest niejednorodny.

• Znając twardość badanego aluminium oraz wiedząc, że współczynnik α wynosi 0,30, możemy obliczyć wytrzymałość na rozciąganie
  [Mpa].

2

---