Механические свойства строительных материалов

Механические свойства характери­зуют способность материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям под влиянием силовых, тепловых, усадочных или других воздействий.

Механические свойства разделяют на деформативные (упру­гость, пластичность и другие) и прочностные (пределы прочно­сти при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная проч­ность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).

Деформативные свойства. Упругость – свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е (МПа) вычисляется из закона Гука:

,

где s – напряжение, МПа; e – относительная деформация.

Пластичность – свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжения, характеризует пластичность материала. Чаще всего с повышением скорости нагружения и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим.

Пластическая деформация, медленно нарастающая длительное время (месяцы и годы), при нагрузках, меньших тех, которые способны вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования – ползучестью.

Релаксация – свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации зафиксирована и остается неизменной. Время, в течение которого первоначальная величина напряжения снижается в e раз (где е – основание натуральных логарифмов), называется периодом релаксации.

Хрупкость – свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации.

Прочностные свойства – это свойства материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов. Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные нагрузки, которые может воспринимать данный элемент при заданном сечении. Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением), оп­ределенным при данном виде деформации. Для хрупких матери­алов (природных каменных материалов, бетонов, строитель­ных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характе­ристикой является предел прочности на сжатие.

Предел прочности на сжатие R _сж (МПа) равен максимальному сжимающему напряжению, вызвавшему разрушение материала, т.е.

,

где Р _разр – разрушающая сила, H; A – площадь сечения до испытания, мм².

Предел прочности на сжатие определяют путем нагружения до разрушения стандартных образцов на специальных прессах (испытательных машинах).

По той же формуле определяют предел прочности на растяжение для тех материалов, которые сопротивляются растягивающим напряжениям и деформациям (древесина, металлы и т.п.).

Для многих материалов (бетон, кирпич, древесина и др.) определяют предел прочности на растяжение при изгибе R _изг (МПа) по формулам:

^_ при одном сосредоточенном грузе, расположенном посереди­не образца-балочки прямоугольного сечения (рис.3а):

;

^_ при двух одинаковых грузах, расположенных на одинаковом расстоянии от середины балочки (рис.3б):

,

где Р _разр – разрушающая нагрузка, Н (кгс); l ─ расстоя­ние между опорами балочки, мм (см); a ─ рас­стояние между двумя грузами, мм (см); b и h ─ ширина и высота балочки в поперечном сечении, мм (см).

При последняя формула упрощается:

.

Рис. 3. Схемы испытаний на изгиб:

а – при одном сосредоточенном грузе; б – при двух одинаковых грузах

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Твердость каменных материалов, стекла оценивают с помощью шкалы твердости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости (1 – тальк, …10 – алмаз).

Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность) – свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца на специальных приборах, называемых копрами, отнесенной к единице объема (Дж/см³).

Сопротивление истиранию – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Это свойство характеризуется истираемостью – потерей массы при истирании образца на кругах истирания, отнесенной к его площади (г/см²).

Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Это свойство определяют при испытании образцов в полочных барабанах.

1.4. Понятие о композиционных материалах

На современном этапе развития науки о строительных материалах на базе достижений фундаментальных наук и под влиянием технических и социальных факторов сформировалось научное строительное материаловедение (НСМ) как фундаментальная наука прикладного характера. Основополагающими постулатами НСМ явились осознание композиционной природы материалов, восприятие их как строительных композитов.

Композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей или связующим веществом. Другой компонент – прерывный (дискретный), разделенный в объеме композиции, – является упрочняющим (армирующим) или выполняющим другую функцию (изоляционную, защитную и т.д.). Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы. В качестве упрочняющих компонентов выступают волокнистые материалы различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна. На каждом уровне изучения структуры сложного композита можно выделить матричный и дискретный (например, упрочняющий) компоненты.

В композиционных материалах – композитах разнородные компоненты создают синергетический эффект – новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов, т.е. когда «целое больше, чем сумма составных частей». В конструкционных композитах главное – это достижение высокой удельной прочности (коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и долговечности.

По мере развития строительного материаловедения как фундаментальной науки о строительных материалах проникновение в структуру композиционных материалов становится магистральным направлением развития науки о материалах, причем изучение проблемы формирования прочности материалов как дисперсных структур базируется на стыке таких фундаментальных наук, как физическая и коллоидная химия, механика сплошной среды и структурная теория разрушения. При этом очевидно, что для понимания синтеза прочности и регулирования деформативности структур помимо химических процессов необходимо уделять должное внимание явлениям физического и физико-химического характера, в том числе на стадии приготовления сырьевых смесей.

Известно, что из трех составляющих прочности композитов: прочности заполнителя, матрицы и контактного слоя – особое значение имеет прочность контактного слоя. При этом контактный слой – это не только прочность в обычном понимании, но и проницаемость, морозостойкость и ряд других свойств, связанных с долговечностью и надежностью материала. Состав и структура тонких контактных слоев отличаются от состава и структуры основного цементирующего вещества (а тем более заполнителя), хотя различие в качестве приповерхностного слоя и объема цементирующего вещества является не скачкообразным, а плавным. Согласно структурной теории разрушения состояние материала по мере возрастания нагрузки рассматривается проходящим через три стадии: I стадия характеризуется тем, что действующая нагрузка меньше критической и возможные микротрещины концентрируются в контактном слое, но в длину не растут; II стадия – контактные трещины устойчиво растут в длину, что сопровождается значительным ростом ширины их раскрытия; III стадия – трещины выходят в матрицу, что завершается образованием магистральной трещины, приводящей к разрушению материала. Таким образом, примат отдается контактной зоне композита, причем наиболее важно знать предысторию его разрушения, которая, в свою очередь, во многом наследуется из начальных этапов структурообразования дисперсных структур. Временные структуры, возникающие на этих этапах, являются диссипативными (по Пригожину), т.е. такими, которые характеризуются рассеянием энергии и ее переходом из одной формы в другую. Очевидно, что к таким структурам в полной мере относятся капиллярные структуры, возникающие в сырьевых смесях строительных материалов (см. п.1.1).