Механические свойства

Строительные материалы и конструкции подвергаются различ­ным внешним силам - нагрузкам, которые вызывают в них внутренние напряжения и дефор­мации. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые возникают внезапно и вызывают силы инерции.

На статические нагрузки рассчитываются здания и сооружения промышленного и гражданского строительства. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд соору­жений - мосты, тоннели, дорож­ные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха - предназначен для восприятия не только статических, но и динамических нагрузок.

Нагрузки динамического характера образу­ются от природных катастроф (землетрясения, ураганы, наводнения, селевые потоки, оползни и др.), а также от аварий на предприятиях (взрывы, удары).

Механические свойства выражают способность материала сопротивляться внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры.

Механические свойства делятся на деформационные и прочностные.

Деформационныесвойства характеризуют способность материа­ла ме­нять форму или размеры без изменения массы. Основными деформативными свойствами являются: упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть.

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

Пластичностью называют способность твердого тела изменять форму или размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопро­извольно восстанавливать свои размеры и форму.

Хрупкостью твердого тела называют его способность разру­шаться без образования значительных пластических деформаций.

Ползучесть выражается в непрекращающемся изменении размера твердого тела под влиянием растягивающих или сжимающих силовых воздействий (напряжений ниже предела прочности).

Главные виды деформаций - растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Они могут быть обратимыми и необратимы­ми. Обратимые деформации полностью исчезают при прекраще­нии силового действия на материал. Необратимые или пласти­ческие деформации накапливаются в пе­риод действия силы, а после снятия силы - сохраня­ются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно, называются упругими; исчезающие в течение некоторого времени - эласти­ческими.

На характер и величину деформации влияют не только величина нагружения, но и скорость приложения этой нагруз­ки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему харак­теру приближаются к упругим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости, коэффи­циент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (мо­дуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяже­ния, сжатия и др.), ползучесть.

Рассмотрим связь строения и деформативных свойств мате­риала.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Δℓ в направлении действия си­лы (при сжатии - укорочение, при растяжении - удлинение).

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации Δℓ к первоначальному линейному размеру тела ℓ:

ε = Δℓ /ℓ, (12)

Напряжение - мера внутренних сил, возникающих в деформи­руемом теле под воздействием внешних сил.

Модуль упругости Е (модуль Юнга) связывает упругую де­формацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражающим закон Гука:

ε = σ / Е, (13)

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяет­ся по формуле

σ = Р/F, (14)

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

Модуль упругости представляет собой меру жесткости мате­риала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они характеризуются высокой температурой плавления) обладают и большим модулем упругости.

Механические свойства характеризуются диаграм­мой "напряжение-относительная деформация" (σ – ε). На рис. 1 представлены кривые " σ – ε " для строительных материалов: упругих, пластичных, хрупких и эластомеров.

Стекло деформируется как упругий хрупкий материал (рис. 1 а). Поликристаллические изотропные материалы (металлы) сохраняют упругость при значительных напряжениях; для многих из них характерно пластическое разрушение с наличием площадки текучести А-В на диаграмме " σ – ε " (рис. 1 б). При хрупком же разрушении пластические деформации невелики (рис. а)

а) 6) в) г)

Нелинейное соотношение между напряжением и деформацией у некоторых материалов проявляется при относительно невысоких напряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением (бе­тонов различного вида) оно отчетливо наблюдается (рис. 1 в) уже при напря­жениях, больших 0,2 предела прочности.

Упругая деформация эластомеров (каучуков) может превышать 100 % (рис. 1 г).

Прочность - это способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних сил или других факторов.

Прочность строительных материалов оценивается пределом прочности R, т.е. напряжением в материале, соответствующим нагрузке, при которой происходит разрушение образца.

Для хрупких материалов (бетонов, строительных растворов, кирпича, изделий из природного камня и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии. Предел прочности определяют как средний результат ис­пытания серии образцов-близнецов (обычно не менее трех). Форма и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей сущест­венно влияют на результаты испытания.

При испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, камня и др.) получается характерная форма разрушения: образуются две усе­ченные пирамидки, сложенные вершинами (рис. 2). На результаты испытания влияет скорость нагружения образца. Если нагрузка возрастает быстрее, чем установлено стандартом, то результат получается завышенным, так как не успевают развиться пластические деформации.

Показатели прочности строительного материала, являются условными величинами, получаемыми по стандартным методикам, единым для всей страны.

На практике, в материалах строительных сооружений, допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочно­сти. То есть, допускаемое напряжение: σ = R/z, где где z - запас прочности обычно 2,3 и более.

В зависимости от прочности строительные материалы разделя­ются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. В нормативных документах марка указы­вается в кг/см²; например, марки портландцемента М400, М500, М550 и М600. Чем выше марка, тем выше качество конструкцион­ного строительного материала. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

Предел прочности при осевом сжатии R_сж, (МПа) равен част­ному от деления разрушающей силы Р_РАЗР на первоначальную площадь F поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы):

R_сж = Р_РАЗР / F (15)

В табл. 3 систематизированы характерные образцы, приме­няемые для определения предела прочности строительных мате­риалов при сжатии.

Предел прочности при изгибе R_PM, (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде призмы квадратного сечения, расположенной на двух опорах. Образец нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до раз­рушения. Предел прочно сти условно вычисляют по той же фор­муле сопротивления материалов, что и напряжение при изгибе:

R_PИ = M/W, (16)

где М - изгибающий момент; W - момент сопротивления.

Таблица 3

Схемы стандартных методов определения прочности сжатии

Форма образца	Схема испытания	Расчетная формула	Материал	Размер стандарт­ного образца, см
Куб			Бетон	а = 7, 10, 15, 20, 30
Раствор	а = 7
Природный камень	а = 5, 7, 10
Цилиндр			Бетон	d = 7, 10, 15, 20, 30; h = d или 2 d
Природный камень	d = 5, 7, 10, 15; h = d
Призма			Бетон	а = 10, 15, 20; h = 4 а
Древесина	а = 2; h = 3
Составной образец			Кирпич	а = 2; h = 14; в =12,5; 25
Половинка призмы			Цемент	а = 4; в =6,25; h = а
Проба щебня (гравия) в цилиндре			Щебень, гравий	d = 15; h = 15

В табл. 4 приведены схемы испытания и соответствующие им расчетные формулы. Эти формулы справедли­вы в пределах упругой работы материала и при одинаковом его сопротивлении сжатию и растяжению. Поэтому по формулам вычисляют условное значение предела прочности при изгибе, являющееся стандартной прочностной характеристи­кой кирпича, строительного гипса, цемента, дорожного бетона.

Форма образца	Схема испытания	Расчетная формула	Материал	Размер стандарт­ного образца, см
Испытание на изгиб
Призма			Бетон	а = 7, 10, 15; в = 7, 10, 15; ℓ =3,5а
Цемент	а = 4; в = 4; ℓ =12
Кирпич	а = 12; в = 6,5 (8,8); ℓ =20
Призма			Бетон	а = 7, 10, 15; в = 7, 10, 15; ℓ =3,5а
Древесина	а = 2; в = 2; ℓ = 24
Испытание на растяжение
Стержень, восьмерка, призма			Сталь	ℓ = 1; d = 5
Бетон	а = 5, 10; в = 5, 10; ℓ =50, 80
Цилиндр			Бетон	d = 15
Асфальтобетон	d = 7; h = 7

Таблица 4

Схемы стандартных методов определения прочности при изгибе и растяжении

Предел прочности при осевом растяжении R_P, (МПа) равен част­ному от деления разрушающей силы Р_РАЗР на первоначальную площадь F поперечного сечения образца (цилиндра, призмы):

R_р = Р_РАЗР / F, (17)

Этот показатель использу­ется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, во­локнистых и других материалов (табл. 1.4). В зависимости от со­отношения R_P / R_сж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых R_P > R_сж (волокнистые - древесина и др.); R_P = R_сж (сталь); R_P < R_сж (хрупкие материалы - природ­ные камни, бетон, кирпич.

Ударной вязкостью (динамической или ударной прочностью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/м³) или площади поперечного сечения об­разца (Дж/м²). Сопротивление удару важно для материалов, ис­пользуемых при устройстве фундаментов машин, полов промыш­ленных зданий, дорожных покрытий и т.п.

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) материала равна отношению показателя прочности R (МПа) к относи­тельной плотности d (безразмерная величина):

R_y = R/d, (18)

Следовательно, это прочность, отнесенная к единице плотно­сти. Лучшие конструктивные материалы имеют высокую проч­ность при малой собственной плотности.

Для некоторых материалов значения R_y приведены ниже: для стеклопластика - 450/2 = 225 МПа, древесины (без пороков) -100/0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной - 1000/7,85 = 127 МПа, стали - 390/7,85 = 51 МПа.

Для каменных материалов значения R_у составляют: для легко­го конструкционного бетона - 40/1,8 =22,2 МПа, тяжелого бетона - 40/2,4 = 16,6 МПа, легкого бетона - 10/0,8 = 12,5 МПа, кирпича -10/1,8 =5,56 МПа.

Повышения R_у можно добиться снижением плотности мате­риала или увеличением его прочности.

Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала.

Твердость природных каменных материалов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый после­дующий царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастания условной твердости от 1 до 10:

1. Тальк Mg₃ [Si₄O₁₀][OH]₂ - легко царапается ногтем.

2. Гипс CaSO₄-2H₂O - царапается ногтем.

3. Кальцит СаСОз - легко царапается стальным ножом.

4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF₂ - царапается стальным ножом

под небольшим нажимом.

5. Апатит Ca₅ [РО₄]₃ F - царапается ножом под сильным нажи­мом.

6. Ортоклаз K[AlSi₃O₈]

7. Кварц SiO₂

8. Топаз Al₂[Si₄O][F,OH]₂

9. Корунд Al₂О₃

10. Алмаз С

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 (НВ), МПа, по формуле

НВ = P/F, (19)

где F - площадь поверхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость оценивают потерей массы об­разца материала при истирающих воздействиях, отнесенной к площади поверхности истирания и вычисляют по формуле

M=(m₁-m₂ )/F, г/см², (20)

где т₁ и т₂ - масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (квар­цевыми песком и наждаком). Это свойство важно для эксплуата­ции дорог, полов, ступеней лестниц и т.п.

Износом называют свойство материала сопротивляться одно­временно ударным и истирающим воздействиям. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы %, материала в результате проведенно­го испытания.