ЛЕКЦИЯ 3 Основные свойства строительных материалов Механические свойства

ЛЕКЦИЯ 3
Основные свойства строительных материалов
Механические свойства
Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым,
тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения
установившейся структуры.
Внешние силы, действующие на материал, стремятся деформировать его (изменить
взаимное расположение составляющих частиц) и довести эти деформации до величины,
при которой материал разрушится.
Природные и искусственные камни (гранит, бетон, кирпич и др.) хорошо
сопротивляются сжатию и значительно хуже (в 5-50 раз) - растяжению. Такие материалы,
как сталь, хорошо сопротивляются как сжатию, так и растяжению. Каменные материалы
следует использовать в конструкциях, работающих на сжатие (стены, колонны и т.д.),
древесину и металл можно применять в конструкциях, работающих как на сжатие, так и
на растяжение.
Прочность материал является одной из основных характеристик для большинства
строительных материалов, так как они в сооружениях всегда подвергаются тем или иным
воздействиям, вызывающим напряженное состояние ( сжатие, растяжение. Изгиб, срез,
удар и др.). Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные
нагрузки, которые может воспринимать данный элемент при заданном сечении, или по
заданным нагрузкам рассчитывать технически и экономически целесообразное сечение
конструкции из данного материала
 Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием
внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами
(стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.).
 Прочность материала оценивают пределом прочности (R), определенном при
данном виде деформации.
Важно! Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов,
строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является
предел прочности при сжатии.
 Предел прочности при осевом сжатии равен частному от деления разрушающей
силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра,
призмы).
Rсж = Рразр / F, кгс/см2 (МПа), где Rсж - предел прочности при осевом сжатии
Рразр - разрушающая сила, кгс, F - первоначальная площадь поперечного сечения
образца, см2
Предел прочности одного и того же материал зависит от размера образца, его
формы, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались
образцы.
Схемы стандартных методов определения прочности при сжатии представлены в
таблице (показать).
 Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца в виде
балочек на двух опорах.
Rизг = 3Рℓ / 2bh2, Мпа
где Rизг - предел прочности при изгибе; Р – разрушающая нагрузка, кгс, ℓ расстояние между опорами, см, b – ширина образца, см, h – толщина образца, см.
 Предел прочности при осевом растяжении (Rр) используется в качестве
прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.
В зависимости от соотношения Rр / Rсж можно условно разделить материалы на три
группы:
1) материалы, у которых Rр > Rсж (волокнистые - древесина и др.);
2) Rр = Rсж (сталь);
3) Rр < Rсж (хрупкие материалы –
природные камни, бетон, кирпич).
Для оценки прочностной эффективности материала используют коэффициент
конструктивного качества (ККК).
Коэффициент конструктивного качества (ККК) материала равен отношению
показателя прочности R к средней плотности ρср
ККК = R / ρср
Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой
средней плотности.
Примеры значений ККК для
некоторых строительных материалов:
1. стеклопластик - 225;
2. древесина (без пороков) - 200;
3. сталь высокопрочная - 127;
4. сталь - 51;
5. легкий конструкционный бетон - 22,2;
6. тяжелый бетон - 16,6;
7. легкий бетон - 12,5;
8. кирпич - 5,56.
 Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно
восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия
внешней силы.
Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней
силы, поэтому ее принято называть обратимой.
Количественно упругость характеризуют пределом упругости, который условно
приравнивают напряжению, при котором материал начинает получать остаточные
деформации очень малой величины, устанавливаемой в технических условиях для
данного материала. 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 связывает упругую
относительную деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением, выражающим
закон Гука: ε= σ/ Е. Материал с высокой энергией межатомных связей характеризуется и
большим модулем упругости.
 Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму и размеры
под действием внешних сил не разрушаясь, причем после прекращения действия
силы тело не может самопроизвольно восстановись свои размеры и форму, и в
теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической
деформацией.
Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезнувшую после снятия
нагрузки, называют необратимой
Это свойство важно учитывать при выборе материалов для несущих конструкций, а
также выборе технологии изготовления некоторых изделий (например, керамических).
Наиболее желательными для несущих конструкций являются материалы, которые наряду
с большой упругостью перед разрушением обладают высокой пластичностью. Разрушение
в подобных материалах не будет происходить внезапно (например, у стали).
 Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него
другого, более твердого тела.
Твердость материалов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью
минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все
предыдущие.
Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10.
Твердость материалов также определяют на специальных приборах вдавливая в них
стальной шарик или твердый наконечник
(в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число
твердости
HB (НR)= P / F
где F - площадь поверхности отпечатка.
Важно!
1. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости
2. От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем
меньше истираемость.
Специальные механические свойства.
 Истираемость
 Износостойкость
 Хрупкость
 Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность)
Истираемость – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям.
Количественно истираемость оценивается потерей массы образца, отнесенной к площади
истирания в г/см2. определяют на специальных кругах истирания.
Износостойкость - свойство материала сопротивляться одновременному
воздействию истирания и удара. Определяется с помощью вращающихся барабанов, куда
вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических
шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику износа принимают
относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала.
Хрупкость – способность твердого материала разрушаться при механических
воздействиях без сколько-нибудь пластической деформации.
Ударная вязкость - свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам.
Испытания проводят на приборах – копрах. Характеристикой этого свойства является
работа, затраченная на разрушение стандартного образца, отнесенная к единице его
объема или площади.