Механические и другие свойства строительных материалов

Строительные материалы

Лекция № 3

 

Механические и другие свойства строительных материалов

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушению и деформированию под действием внешних сил.

Наиболее важным механическим свойством материала является прочность.

Прочность – свойство материала воспринимать в определенных пределах действия внешних сил без разрушения.

Прочность обусловлена сцеплением частиц, из которых состоит твердый материал. При приложении внешней нагрузки в материале возникают внутренние силы упругости как следствие третьего закона Ньютона: «действие равно противодействию по величине и противоположно ему по направлению».

Величину, числено равную силе, приходящейся на единицу площади сечения тела, называют напряжением. В системе СИ за единицу принят паскаль (Па), равный давлению, которое вызывает сила в 1 ньютон (Н), равномерно распределенная по поверхности площадью 1м2.

Предел прочности – напряжение, соответствующее силе, вызывающей разрушение образца материала.

СМ неоднородны, поэтому предел прочности определяют как средний результат испытаний не менее трех образцов. На результаты испытаний влияют форма и размеры образца, а также скорость нагружения образца, поэтому испытания СМ в нашей стране производят на стандартных образцах при стандартных скоростях приложения нагрузки.

Предел прочности при сжатии равен частному от деления разрушающей силы на площадь поперечного сечения образца.(куба, цилиндра, призмы).

Опредеяют на гидравлическом прессе.

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца материала в виде балочки на двух опорах. Нагружение приводят одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения.

 

Rиз = 3P(l-a) / bh2

где: Р – сила, действующая на образец, Н

l – расстояние между опорами, м

b – ширина поперечного сечения образца, м

h – высота поперечного сечения образца, м

Дробимость щебня при сжатии в цилиндре - косвенный показатель проч-ности щебня или гравия, по которому устанавливают их марку.

Истираемость щебня в полочном барабане характеризует способность материала изменять массу под воздействием истирающих усилий. Полочный барабан имеет форму цилиндра. Пробу щебня заданной массы помещают в полочный барабан вместе с чугунными или стальными шарами, закрывают барабан, приводят во вращение частотой 30-33 об/мин.и дают заданное число оборотов.

После испытания из барабана удаляют материал, просеивают через сито с отверстиями 5 и 1,25мм. Остатки на ситах взвешивают и определяют истираемость.

Упругость — самопроизвольное восстановление первоначальной формы и размера после прекращения действия внешней силы.

 

Деформация — изменение объема или формы твердого или пластичного тела без изменения массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

Все они могут быть обратимыми и необратимыми, или остаточными. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, называемые, кроме того, пластическими, накапливаются в период действия этих факторов; после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими, а если в течение некоторого времени, то — эластическими.

 

Хрупкость – способность материала под воздействиемвнешних сил разрушаться без остаточных деформаций (каменные материалы, цементо-бетон, стекло).

Пластичность - способность материала под действием внешних сил деформироваться без разрыва сплошности.

Для более полной оценки качества материалов изучают также химические свойства. Эта группа свойств выражает способность и степень активности материала к химическому взаимодействию с реагентами внешней среды и, кроме того, способность сохранять постоянным состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Большинство строительных материалов проявляют активность при взаимодействии с кислотами, щелочами, агрессивными газами и другими средами. Кроме того, некоторые материалы проявляют склонность к самопроизвольным внутренним химическим изменениям в условиях инертной среды, что отражает неустановившееся равновесие внутренних химических связей. Постепенное или быстрое изменение структуры и ее разрушение под влиянием агрессивных химических и электрохимических процессов в материале называют коррозией.

 

Нередко изучается биохимическая стойкость материала против воздействия грибов, прорастания растений, порчи насекомыми, жучками-точильщиками. Комплексной характеристикой способности материала сопротивляться одновременному или поочередному (в разной последовательности) воздействию механических, физических и химических факторов является долговечность. О долговечности материала, выражаемой в единицах времени, судят или по ухудшению его качества, или по интенсивности изменения главных (ключевых) структурных элементов.

 

Группа технологических свойств выражает способность материала к восприятию определенных технологических операций, выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и пр. Это качество материалов определяют в числовых или визуальных показателях по способности их к формуемости (жесткие, пластичные и литые смеси), раскалываемости, шлифуемости, полируемости, гвоздимости (способности удерживать гвозди и принимать их при силовых воздействиях), дробимости и многим другим технологическим свойствам, обусловленным разновидностью механического способа обработки материала.

 

Оценка технологических свойств производится условными методами и приборами с указанием названия прибора, температурных условий испытания, скорости нагружения при испытании и др. На практике нередко ограничиваются также визуальными оценками технологических свойств. Однако при массовом производстве и применении материалов (бетонных смесей, асфальтобетонной массы, полимерных композиций и др.) пользуются специальными приборами и методами испытаний с выражением технологических свойств в виде числовых показателей. Таким образом, строительные материалы обладают многообразными свойствами. Но между свойствами каждого материала, особенно при оптимальной структуре, имеется не только различие, но и тесная взаимосвязь.

Механические свойства отражают способность тел (материалов) сопротивляться силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим напряжениям без нарушения установившейся структуры. В свою очередь, под напряжением понимается мера интенсивности внутренних сил, возникающих под действием нагрузок, изменений температуры и других факторов или причин. Практически напряжение определяют как внутреннюю силу, отнесенную к единице площади, причем под внутренней силой подразумевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону от площадки, на частицы, находящиеся по другую сторону от этой площадки. Обычно определяют расчетом нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в СИ в МПа.

 

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

 

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы.

 

 

Деформации могут быть также сложными — упругопластическими или упруговязкопластическими, если достаточно четко выражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эластическая и пластическая части.

 

На характер и величину деформации влияет не только величина нагружения, но и скорость приложения нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости деформирования и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим, уменьшаясь по абсолютной величине. Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью или крипом.

 

Деформационные свойства строительных материалов, как и других тел, обусловливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время, или период релаксации, определяет продолжительность релаксационных процессов.

 

Период релаксации—важная характеристика строительных материалов: чем она меньше, тем более деформативным является материал.

 

К другому важному механическому свойству относится прочность, т. е. способность материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений. Типичными прочностными характеристиками являются предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности - максимальное напряжение в момент разрушения материала. Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки. При длительном воздействии нагрузки возрастает опасность для структуры материала и даже сравнительно малые напряжения могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей прочности. Поэтому нередко принято измерять длительную прочность материала, причем не только при статической, но и динамической нагрузках. Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность называется усталостной, определяется испытанием образцов материала.

 

В целом, три упомянутые характеристики прочности — условные по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени, что с некоторым приближением можно допустить только в отношении хрупких материалов. Во-вторых, приборы, образцы, скорость приложения нагрузки на прессах и другие исходные данные методов испытания материала на прочность условны. Один и тот же материал может иметь различную величину показателя прочности в зависимости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры «кубика», больше скорость приложения нагрузки, тем выше величина предела прочности при сжатии.

 

Дополнительными характеристиками механических свойств при оценке качества материалов могут служить твердость, истираемость и ударная вязкость.

 

Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при сдавливании стального шарика или конуса, царапании резцом, сверлении, ударах молотка, пулевом выстреле и др. Эти условные испытания дают значения твердости либо только качественные, например по следу царапания, либо также и количественные — по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки. Нередко от полученного значения твердости стремятся перейти к величине прочности, хотя устанавливаемые соотношения между твердостью и прочностью тем менее точные, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, так как то и другое свойство обусловлено сцеплением между микрочастицами материала.

 

О твердости нередко также судят по потере массы образцов при истирании на металлических кругах в присутствии абразивных порошков. О более сложном свойстве, включающем и твердость, а именно об износе, износостойкости материала судят по испытанию пробы определенной массы путем вращения ее в барабане совместно с металлическими шарами или без шаров. Чем больше измельчается проба, тем и больше износ в процентах.

 

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например кровельных листов и плит.

 

 

Пластичность — свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причём после прекращения действия внешних сил тело не может самопроизвольно восстанавливать форму и размер.

 

Остаточная деформация — пластичная деформация.

 

Относительная деформация — отношение абсолютной деформации к начальному линейному размеру(ε=Δl/l).

 

Модуль упругости — отношения напряжения к отн. деформации (Е=σ/ε).

 

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или др. Прочность оценивают пределом прочности — временным сопротивлением R, определённом при данном виде деформации. Для хрупких (кирпич, бетон) основная прочностная характеристика — предел прочности при сжатии. Для металлов, стали — прочность при сжатии такая же, как и при растяжении и изгибе. Так как строительные материалы неоднородны, предел прочности определяют как средний результат серии образцов. На результаты испытаний влияют форма, размеры образцов, состояния опорных поверхностей, скорость нагружения. В зависимости от прочности материалы делятся на марки и классы. Марки записываются в кгс/см², а классы - в МПа. Класс характеризует гарантированную прочность. Класс по прочности В называется временным сопротивлением сжатию стандартных образцов (бетонных кубов с размером ребра 150 мм), испытанных в возрасте 28 суток хранения при температуре 20±2 °C с учётом статической изменчивости прочности.

 

Коэффициент конструктивного качества: ККК=R/γ(прочность на относит. плотность), для 3-й стали ККК=51 МПа, для высокопрочной стали ККК=127 МПа, тяжелого бетона ККК=12,6 МПа, древесины ККК=200 МПа.

 

Твердость — показатель, характеризующий свойство материалов сопротивляться проникновению в него другого, более плотного материала. Показатель твердости: НВ=Р/F (F — площадь отпечатка, P — это сила), [НВ]=МПа. Шкала Мооса: тальк, гипс, известь…алмаз.

 

Истирание — потеря первоначальной массы образца при прохождении этим образцом определённого пути абразивной поверхности. Истирание: И=(m1-m2)/F, где F — площадь истираемой поверхности.

 

Износ — свойство материала сопротивляться одновременно воздействию истирающих и ударных нагрузок. Износ определяют в барабане со стальными шарами или без них.