1.2 Механические свойства строительных материалов
(стр. 10-15)
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным и другим внутренним напряжениям без разрушения. Важнейшими механическими свойствами, которые характеризуют качество материалов, являются прочность, упругость, хрупкость, пластичность, твердость, истираемость, долговечность.
Прочность – способность материалов оказывать сопротивление разрушению от действия напряжений, возникающих в нем под влиянием приложенной нагрузки. Прочность материалов обусловлена сцеплением между собою составляющих их частиц (атомов, ионов, молекул). До приложения силовых нагрузок частицы, из которых состоят твердые материалы, удерживаюся силами взаимного сцепления. После приложения к телу внешней нагрузки ее действие равномерно распределяется между всеми частицами материала, и он находится в напряженном состоянии, что, в свою очередь, приводит к изменению расстояний между частицами материала, то есть к его деформации и разрушению.
Величину, равную отношению силы (нагрузки) к площади сечения тела, называют напряжением и измеряют в Паскалях (Па = Н / м2):
Строительные материалы в конструкциях под действием различных нагрузок воспринимают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, кручения и др. Поэтому прочность материалов характеризуют пределом прочности при сжатии, растяжении, изгибе и других нагрузках.
Пределом прочности называют условное напряжение, которое отвечает наименьшей силе, вызывающей разрушение образца материала. При этом всегда обсуждают характер приложения разрушающей силы (на сжатие, растяжение, изгиб, крученне, скалывание, смятие, срез, удар). Другими словами предел прочности это условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, которую выдерживает образец материала при испытании без разрушения.
Практически предел прочности определяют путем разрушения (нагружения) стандартных образцов (рис.1.1) на специальных прессах или разрывных машинах.
Предел прочности материала (обычно при сжатии) характеризует его марку. Предел прочности строительных материалов при сжатии колеблется в широких пределах 0.5...100 МПа и более. У большинства материалов (кроме древесины, стали, полимерных материалов) предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Так, каменные материалы при растяжении выдерживают нагрузку в 10-15 раз меньшую, чем при сжатии (см. табл.1.1), поэтому их используют, главным образом, в конструкциях, работающих на сжатие.
Для строительных материалов, работающих в сооружениях, действующее напряжение должно быть ниже предела их прочности. Вследствие этого и обеспечивается необходимый запас прочности. Потеря материалом эксплуатационных качеств и, даже, разрушение вызываются рядом причин: неоднородностью материала, возможностью значительной деформации до достижения предела прочности и возникновения трещин, усталостью материала при значительных переменных нагрузках, старением материала под влиянием окружающей среды и т.п. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества материала, класса долговечности строения.
Таблица 1.1 – Пределы прочности при сжатии и растяжении некоторых строительных материалов
|
Наименование |
Предел прочности, МПа | ||
|
материала |
при сжатии |
при растяжении |
при изгибе |
|
Базальт |
250…500 |
12…25 |
– |
|
Бетон цементный |
5…60 |
0.8…3.2 |
0.5…1 |
|
Бук |
40…46 |
128…130 |
90…92 |
|
Гранит |
120…250 |
6…12 |
– |
|
Дуб |
50…52 |
128…130 |
93…95 |
|
Дюралюминий |
210…450 |
210…450 |
180…250 |
|
Ель |
37…42 |
127…129 |
77…78 |
|
Известняк плотный |
10…150 |
0.4…7 |
– |
|
Кирпич глиняный |
15…30 |
– |
1.5…4.5 |
|
Кирпич силикатный |
5…29 |
– |
0.5…4 |
|
СВАМ |
140 |
160 |
250 |
|
Органическое стекло |
50…120 |
– |
65…78 |
|
Сосна |
43…44 |
113…117 |
78…80 |
|
Сталь |
200…500 |
200…1500 |
200…750 |
|
Стекло |
500…2000 |
– |
30…100 |
|
Текстолит |
150…250 |
40…100 |
40…100 |
|
Чугун |
500…750 |
120…210 |
280…400 |
При нагревании детали строительной конструкции может происходить прогрев материала, из которого она состоит, до критической температуры, при которой предел прочности материала снижается до величины допустимых рабочих напряжений, возникающих от эксплуатационных нагрузок. Математически это определяется отношением:
Моменту Кз = 1 отвечает состояние, когда возникают чрезмерные деформации, исчерпывается несущая способность детали и наступает ее разрушение. Поэтому при расчетах коэффициент Кз принимают с запасом, который является нормируемой величиной (например, обычно принимают для стали Кз = 1.6, для алюминиевого сплава Кз = 2, для бетона Кз = 1.4).
Сравнение поведения различных материалов при нагревании удобно проводить по их относительной прочности. Относительная прочность (gt) определяется отношением предела прочности материала при достигнутой температуре (Rt) к пределу прочности этого материала при 20 оС (R20):
Упругость – способность материала изменять под действием нагрузки свою форму и объем без признака разрушения и восстанавливать их после прекращения действия деформирующих сил. Внешние силы, приложенные к образцу материала, вызывают изменение его размеров на величину D l в направлении действия силы (при сжатии – сокращение, при растяжении – удлинение). Показателем деформации является относительная деформация (e ), которую определяют отношением изменения линейных размеров деформирующегося тела (D l) в направлении действия силы (при сжатии – сокращение, при растяжении – удлинение) к первоначальному значению линейного размера образца (l):
Относительная деформация может быть обратимой и необратимой. Обратимая (упругая) деформация полностью исчезает после снятия нагрузки, а необратимая (пластическая, остаточная) – не исчезает. Упругие деформации наблюдаются у резины, стекла, стали, искусственных и естественных каменных материалов, а пластические – у глины, битума, некоторых видов пластмасс, незатвердевших бетонных смесей. Для твердых и упругих материалов с увеличением напряжения пропорционально возрастают и их относительные деформации:
Хрупкость – способность материала под влиянием возникающих в нем механических напряжений разрушаться без заметной пластической деформации. Хрупкие материалы практически не деформируются перед разрушением. К ним относятся, например, естественные и искусственные каменные материалы, цементобетон, стекло, высокоуглеродистые стали.
Пластичность – способность материала изменять под действием нагрузки или внутренних напряжений форму и размеры без нарушения цельности, стойко сохраняя образованную форму и размеры после прекращения воздействия. Пластические материалы под влиянием нагрузки значительно деформируются, заметно изменяя свою форму и объем, и только потом разрушаются.
Хрупкость и пластичность очень сильно зависят от температуры, влажности, режима нагрузки и др. Так, изделия из глины хрупки в сухом состоянии и пластичны во влажном.
Твердость – свойство материала оказывать сопротивление деформированию или разрушению при местном силовом воздействии. Она характеризуется способностью проникновения в материал другого, более твердого тела.
Истираемость – способность материала сопротивляться действию сил трения. Как правило, чем выше твердость материала, тем больше у него и сопротивление истиранию. Одновременное влияние на материал истирания и удара вызывает его износ. А устойчивость к износу обусловливает способность противодействия материала абразивному действию.
Долговечность – способность материалов сохранять полезные качества до предельного состояния, которое задается условиями эксплуатации или испытаний. Оценивают ее временем или числом циклов от начала эксплуатации (испытания) до момента достижения предельного состояния, при котором дальнейшая эксплуатация должна прекращаться из-за нарушения физико-механических свойств, определенных нормативными документами.