Механические свойства строительных материалов

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил.

Механическими свойствами являются прочность. упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость. Кроме того, под воздействием внешних сил (нагрузок) материалы в зданиях и сооружениях могут испытывать и такие внутренние напряжения, как сжатие, растяжение, изгиб, срез и др. Напряжение измеряют в физических величинах.

Прежде чем переходить к изучению механических свойств материалов, необходимо ознакомиться с принятой в настоящее время р нашей стране для обозначения физических величин Международной системой единиц СИ.

В действовавшей до недавнего времени технической системе основными единицами измерения были: метр, килограмм-сила, секунда. В системе СИ основными единицами являются: метр, килограмм-масса, секунда.

Прочность материала характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении, срезе). Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой происходит разрушение образца материала.

Прочность строительных материалов обычно характеризуется маркой, значение которой соответствует величине предела прочности при сжатии, полученному при испытании образцов стандартных размеров. Предел прочности при сжатии строительных материалов колеблется в широких пределах — от 0,5 (тор- фоплиты) до 1000 МПа и выше (высокопрочная сталь).

Упругостью называют свойство материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, под действием которой формы материала деформируются. В качестве примера упругих материалов можно назвать резину, сталь, древесину.

Пластичность — это способность материала под влиянием действующих усилий изменять свои формы и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившуюся форму и размеры после снятия нагрузки. Примером пластичных материалов служит глиняное тесто, разогретый асфальт.

Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил при незначительных деформациях (например, стекло, керамика).

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Твердостью материала называют свойство сопротивляться прониканию ь него другого, более твердого материала. Из природных каменных материалов наименьшую твердость по десятибалльной шкале твердости минералов имеет тальк (1), наибольшую — алмаз (10).

Истираемостью называют способность материала уменьшаться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

Свойство строительных материалов сопротивляться истирающим и ударным нагрузкам необходимо учитывать при подборе материалов для дорожных покрытий, полов промышленных зданий, для ступеней, лестниц, бункеров.

Главными свойствами строительных материалов, по которым определяют возможность их применения в элементах здания, являются прочность, плотность, теплопроводность, влажность и водопроницаемость, морозостойкость, огнестойкость.

Прочность — мера сопротивления материала разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Конструкции здания испытывают определенные нагрузки, под действием которых они сжимаются, растягиваются или изгибаются.

Плотность — величина, измеряемая отношением массы вещества к единице его объема в естественном состоянии (кг/м3), т. е. с имеющимися в нем порами и пустотами. Чем плотнее материал, тем меньше в нем пустот и пор, тем больше его плотность. От плотности материала зависят вес конструкций, теплоизоляционные качества и прочность.

Теплопроводность — количества теплоты, проходящей через ограждение толщиной 1 м, площадью 1 м2 при постоянной разности температур наружного и внутреннего воздуха 1 °С. Чем меньше теплопроводность, тем лучше теплозащитные качества материала.

Теплопроводность материалов зависит от плотности и степени влажности. Материалы, имеющие меньшую плотность и влажность, обладают меньшей теплопроводностью.

Влажность — содержание влаги в материале. Влажность определяют в процентах от массы абсолютно сухого материала. Чем меньше влажность, тем меньше плотность и теплопроводность и выше прочность материала.

Водопроницаемость — величина, характеризуемая количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 см2 испытуемого материала. Например, водопроницаемость стыков панелей наружных стен испытывают в особой камере на действие косого дождя при определенной силе ветра. Для кровельных материалов (например, толь, рубероид) водопроницаемость характеризуется временем, в течение которого вода под давлением проходит через материал и появляется с другой стороны образца.

Морозостойкость — способность материалов в насыщенном водой состоянии сопротивляться разрушению при многократном замораживании и оттаивании. Испытание материалов на морозостойкость производится в специальных камерах. Марки изделий по морозостойкости обозначают количесто выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания в водонасыщен- ном состоянии.

Огнестойкость — способность материала выдерживать действие высокой температуры без потери прочности. Предел огнестойкости конструкций из различных материалов оценивается по времени (в ч), которое выдерживает конструкция до потери прочности или устойчивости. Материал, из которого выполнена конструкция, характеризуется по его способности воспламеняться, гореть или тлеть после удаления источника огня. Материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, называются несгораемыми. Материалы, горение и тление которых прекращается после удаления источника огня, называются трудносгораемыми, а которые горят и тлеют после удаления источника огня — сгораемыми.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних механических сил, вызывающих в нем сжатие, растяжение, изгиб, срез, кручение, истирание. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, деформативность (упругость, пластичность), твердость, износостойкость.

Прочность свойство материала в определенных условиях и пределах воспринимать нагрузки или другие воздействия, вызывающие в нем внутренние напряжения, без разрушения.

Частицы, из которых состоит твердый материал, удерживаются в равновесии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу материала приложить внешнюю силу F, например растягивающую (рис. 1), то ее действие равномерно распределится на все частицы материала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами — материал начнет деформироваться (в нашем случае — растягиваться).

Рис. 1. Схема определения напряжений при растяжении

При увеличении действующей силы напряжения в материале возрастают и могут превысить силу сцепления частиц и материал разрушится.

На практике разрушение материала начинается значительно раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами — например, трещинами). Напряжение, при котором происходит разрушение материала при испытании, называют пределом прочности.

В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2).

Прочность определяют на образцах материала, форму и размеры которых устанавливает стандарт на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образ-цы-кубы размером 150 X 150 X 150 мм.

Предел прочности бетона при сжатии RclK обычно 10…50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150X150X150 мм с #СЖ=Ю МПа, надо приложить усилие F=RCKS= 10Х (0.15Х 0,15) = 0,225 МН. Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на образец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов, развивающих усилия до 106 И и более (рис. 4).

Рис. 2. Схема определения пределов прочности материалов на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

Аналогично определяют прочность при растяжении, изгибе, скалывании. Однако расчетные формулы при изгибе и скалывании имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться. У всех каменных материалов прочность при сжатии в 5… 15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе немного выше прочности при сжатии. Интересно отметить, что прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочности бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Рис. 3. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие: 1 — станина, 2 — поршень, 3, 5 — нижняя и верхняя опорные плиты, 4 — испытуемый образец. 6 — маховик для ручного подъема и опускания верхней плиты, 7 — манометр, 8 — масляный насос

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавливающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Материалы, ведущие себя подобно глине, т. е. сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответственно обратимые деформации называются упругими деформациями, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникновению в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых материалов применяют метод Бринелля, основанный на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали. По диаметру отпечатка от шарика рассчитывают число твердости НВ.

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина, хотя по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении превосходит его, имеет значительно меньшую, чем у бетона, твердость.

Износостойкость — способность материала противостоять воздействию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнашивания. Износостойкость—важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: