Механические свойства строительных материалов
|
Для материалов несущих строительых конструкций основными механическими показателями являются: прочность, ударная вязкость, твердость, истираемость, износ, упругость, пластичность, релаксация. Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил или других факторов, вызывающих напряжения в материале. При приложении внешней силы (а также под действием других факторов, например, градиента температур) в материале возникают внутренние силы упругости. Физическую величину, численно равную силе, приходящейся на единицу площади материала, называют напряжением. Единицей измерения напряжения является паскаль (Па), равный давлению, которое вызывает сила в 1 ньютон (H), равномерно распределенная по поверхности площадью 1 м2. При расчете строительных конструкций обычно используют мегапаскаль 1 МПа = 10в6 Па. В некоторых случаях за единицу измерения технической системы принимают кгс/см2. (1 МПа = 9,81 кгс/см2). Прочность материалов характеризуют величиной называемой пределом прочности (предельным сопротивлением) - напряжением, вызывающим разрушение материала.  При определении прочности величина разрушающей нагрузки зависит от формы и размеров образца, изготовленного из материала. В связи с этим соответствующие стандарты устанавливают форму и размеры образцов при испытании различных материалов. В зависимости от характера действующей нагрузки и поля напряжений различают предельные сопротивления сжатию, растяжению, растяжению при изгибе, сдвигу, кручению и другим нагрузкам. Многие строительные материалы, например бетон, керамика и другие относятся к микро- и макронеоднородным, поэтому при испытании стандартных образцов возможны значительные колебания результатов, такие результаты не могут служить характеристикой прочности. Для того, чтобы получить достоверный показатель прочности, необходимо провести испытание серий образцов с последующей статистической обработкой результатов. Для оценки эффективности материала определяют также удельную прочность (коэффициент конструктивного качества, Ккк). Значение Kкк определяется как частное от деления предела прочности материала (например, при сжатии) в МПа на его среднюю плотность ρ0 (кг/м3). Величина Kкк стали изменяется в пределах от 0,05 до 0,13, древесины - 0,20, тяжелого (обычного) бетона - 0,01-0,02, кирпича - 0,005-0,015. Ударная вязкость (прочность при ударе) - способность материала сопротивляться разрушению при ударе. Ударную вязкость характеризуют работой, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема (Дж/м3) или к единице площади образца (Дж/м2). Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. Твердость различных материалов определяется по разным методикам. Так, твердость горных пород оценивают по минералогической шкале, содержащей 10 минералов, и показатель твердости изменяется в пределах от 1 (тальк) до 10 (алмаз). Минерал, имеющий более высокий порядковый номер, оставляет черту на предыдущем. Минералогическая шкала включает минералы: тальк, гипс, кальцит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд, алмаз. Твердость металлов, бетона, пластмасс оценивают вдавливанием стального шарика, алмазной призмы и других твердых тел. Твердость металлических сплавов часто определяют путем вдавливания в образец твердых, изготовленных из малодеформирующегося материала шарика, конуса или пирамиды. Твердость характеризуется способностью материала сопротивляться пластической деформации на поверхности образца. Например, в поверхность испытуемого образца при заданной нагрузке вдавливается шарик определенного диаметра, изготовленный из закаленной стали (твердость по Бриннелю). Число твердости HB определяется по формуле:  Истираемость - способность материала разрушаться под воздействием истирающих нагрузок. Истираемость И, г/см2, определяют как отношение потери массы стандартным образцом к площади истирания:  Определение истираемости проводится при испытании напольных материалов - горных пород, керамики, пластмасс. Износостойкость - способность материала сопротивляться воздействию ударных и истирающих нагрузок. Характеризуется потерей массы материала при его испытании во вращающемся барабане со стальными шарами. Напряжения, возникающие в материале связаны с его деформацией - изменением объема, формы и размеров образца без нарушения сплошности. Деформации могут быть обратимыми (упругими, эластичными) или необратимыми (пластическими или остаточными). Упругость - способность материала под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок. Упругие деформации обусловлены изменением расстояний между атомами в структуре. Пластичность - способность материалов изменять форму и размеры под действием нагрузок и сохранять их после удаления нагрузки. Релаксация - самопроизвольное снижение уровня напряжений в материале при постоянной деформации. Обусловлена массопереносом - перемещением атомов, молекул, дефектов в структуре твердого тела. |
