Справочник строительных материалов

Механические свойства

Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы.

Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.

Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановись свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической дефор­мацией. Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезнувшую после снятия нагруз­ки, называют необратимой. Основными характеристиками деформа­тивных свойств строительного материала являются: относительная деформация, модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину  в направлении действия силы.

Относительная деформация ε равна отношению абсолютной деформации   к первоначальному линейному размеру тела.

ε = .

Модуль упругости связывает упругую деформацию и одноосное напряжение σ линейным соотношением, выражающим закон Гука.

ε = σ/E ,

где E [МПа] — модуль Юнга

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:

σ = P/F,

где Р — действующая сила; F — площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей характеризуются и большим модулем упругости.

Зависимость модуля упругости Е ряда материалов от температуры плавления (tпл) представлена в таблице.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т.п.). Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации. Схема диаграмм деформаций представлена на рисунке.Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии.

Предел прочности — максимальное напряжение, которое способен выдержать материал, не разрушаясь.

Rсж  = Рразр / F [МПа]

где Rсж — предел прочности при осевом сжатии; Рразр — разрушающая сила; F — первоначальная площадь поперечного сечения образца. Предел прочности при осевом растяжении Rр используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.

В зависимости от соотношения Rр / Rсж  можно условно разделить материалы на три группы:

1. материалы, у которых Rр > Rсж (волокнистые — древесина и др.);
2. Rр = Rсж (сталь);
3. Rр < Rсж (хрупкие материалы — природные камни, бетон,  кирпич).

Механические испытания материалов проводятся на гидравлическом прессе (рисунок). Предел прочности при изгибе определяют путём испытания образца в виде балочек на двух опорах.

,

где Rизг — предел прочности при изгибе; М — изгибающий момент; W — момент сопротивления сечения образца. Например, в случае использования балочки, лежащей на двух опорах и воспринимающей сосредоточенную нагрузку посредине её, имеем

,  [МПа],

где P — разрушающая сила; l — расстояние между опорами; b — ширина сечения испытуемого материала; h — высота его сечения.

Коэффициент конструктивного качества (к.к.к.)  материала равен отношению предела прочности R к средней плотности ρ0.

к.к.к. = R0.

Эффективные конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой средней плотности.

Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минера­лами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все преды­дущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:

1. Тальк, Mg3[Si4O10][OH]2 — легкоцарапается ногтем.
2. Гипс, CaSO4·2H2O — царапается ногтем.
3. Кальцит, CaCO3 — легко царапается стальным ножом.
4. Флюорит (плавиковый шпат), CaF2 — царапается стальным ножом под небольшим нажимом.
5. Апатит, Ca5[PO4]3F — царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз, К[AlSi3O8] — царапает стекло.
7. Кварц, SiO2;
8. Топаз, Al2[SiO4] (F, OH)2;
9. Корунд, Al2О3;
10. Алмаз, С.

Последние четыре минерала легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.

Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник  (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости  

HB = P / F,

где F — площадь поверхности отпечатка. Чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F на круге истирания. Характеризуют способность материала сопротивляться действию касательных (истирающих) усилий.

И =  (m1m2) / F,[г/см2],

где m1 и m2 — масса образца до и после истирания.

Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться действию удара падающего груза. Для определения прочности материалов при ударе применяются специальные копры.

Для природных материалов масса падающего груза равна 2 кг. Высота падения от 1 до 90 см. Испытуемые образцы — цилиндры высотой 3 см и диаметром 2 см.

Примечание: ряд специфических свойств материалов описываются в соответ­ствующих главах.