Главная → Статьи

Механические свойства стройматериалов

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, износостойкость, деформативность (упругость, пластичность).

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. 2.3), 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).

Для определения значения напряжений а (МПа), т. е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения материала и возникающих в материале при приложении к нему внешней силы F (кН), мысленно делают поперечный разрез образца. Чтобы образовавшиеся половинки образца остались в равновесии, внешней силе F должна противодействовать равная ей внутренняя сила а А, где А (м2) — площадь поперечного сечения образца материала, откуда а = F/A.

Рис. 2.3. Схема определения напряжений а в брусе при его растяжении

Чем выше модуль упругости материала, тем меньше он деформируется. Так, модуль упругости каучука 10…20 МПа, а стали — 2 * 105 МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.

При увеличении действующей силы напряжения в материале возрастают и могут превысить силу сцепления частиц — 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).

Прочность материала характеризуется значением предела прочности R — напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения.

В зависимости от характера приложения силы FH вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2.4).

Предел прочности материала определяют на образцах, форму и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150х150х150 мм. Марка цемента определяется на образцах- балоч-ках 40 х 40 х 160 мм. Для определения прочности горных пород обычно применяют образцы-цилиндры.

Предел прочности бетона при сжатии обычно составляет 10…50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150 х 150 х х 150 мм с Rcx — 10 МПа, надо приложить усилие F=RCXA = = 10(0,15 х 0,15) = 225 кН (22,5 т). 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 усилие до 10 кН (100т) и более (рис. 2.5).

Для испытания на прочность образец устанавливают на нижнюю плиту пресса, зажимают верхней плитой и включают масляный насос. За повышением давления масла наблюдают по манометру, фиксируя давление, при котором начинается разрушение материала.

Рис. 2.4. Схема нагружения образца при определении пределов прочности материала на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

Предел прочности при растяжении рассчитывается по той же формуле.

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 природных и искусственных каменных материалов прочность при сжатии в 5… 15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе выше прочности при сжатии (в 1,5…2 раза).

Значение Кр для разных материалов колеблется от 0 (необожженная глина) до 1 (стекло, сталь, битум).

Упругость и пластичность. Если взять два шарика — резиновый и глиняный — и начать их сжимать, то они оба под действием приложенной силы деформируются. Как только прекращается действие силы, резиновый шарик восстанавливает свою форму, а глиняный останется деформированным.

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавливающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е, рассмотренный ранее.

Чем выше Е у материала, тем большее усилие требуется для деформации материала. Идеально упругих материалов практически нет. При высоких нагрузках, в особенности прилагаемых длительное время, почти все материалы обнаруживают пластические деформации; как принято говорить: материал начинает «течь».

Материалы, ведущие себя подобно влажной глине, т. е. сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответственно обратимые деформации называют упругими, 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 (см. табл. 4.1). 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 методы Бринелля или Роквелла, основанные на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали или алмазного конуса. По диаметру отпечатка рассчитывают число твердости НВ (по Бринеллю) или HR (по Роквеллу).

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина по прочности при сжатии сравнима с бетоном, а при изгибе и растяжении во много раз превосходящая его, значительно уступает бетону в твердости.

Износ — изменение размеров, массы и состояния поверхности материала вследствие истирающих и ударных воздействий. Износ может быть абразивным, кавитационным и др.

Износостойкость у строительных материалов оценивается в основном для заполнителей, используемых в дорожных бетонах. Оценка производится по потере массы пробы материала при его испытании по стандартной методике в полочном барабане.

Истираемость — свойство поверхностного слоя материала сопротивляться абразивному износу. Истираемость зависит от совокупности свойств материала: твердости, пластичности, упругости и др. Истираемость не оценивается расчетным путем, а определяется экспериментально. Для различных материалов используются разные, но строго регламентируемые стандартами методы. Например, истираемость бетона определяют с помощью круга истирания ЛКИ с использованием кварцевого песка в роли абразива (рис. 2.6); истираемость линолеума — с помощью вращающихся барабанов, обтянутых наждачной бумагой (рис. 2.7). Истираемость оценивается по потере массы или толщины образцов материала после цикла стандартных испытаний. Показатель истираемости очень важен для материалов, используемых для покрытий полов, лестниц и т. п.

Рис. 2.6. Машина ЛКИ для определения истираемости каменных материалов: 1 — барабан; 2 — шлифовальная шкурка; 3 — держатель с образцом; 4 — патрон; 5 — каретка

Рис. 2.7. Схема машины для испытания линолеума на истирание:
1 — счетчик оборотов; 2 — диск; 3 — груз; 4 — образец; 5 — шлифовальный порошок

Ваш отзыв