Свойства дорожно-строительных материалов

 

Проектировщик и инженер-строитель при выборе материала и обосновании его целесообразности в строительной конструкции (здания, моста, дорожной одежды и т.д.) должен учитывать (прогнозировать) его способность сопротивляться реальным эксплуатационным нагрузкам внешней среды. Под внешней средой, применительно к дорожным объектам, понимают воздействие механических нагрузок от транспорта, погодно-климатических факторов и химических реагентов.

Прогнозируемое поведение материала при его работе в конструкции предполагает, что в нем не будут происходить нарушения сплошности и изменение размеров в расчетный период при заданных нагрузках внешней среды. Материал в конструкции всегда должен работать надежно, сопротивляясь комплексу сжимающих, растягивающих напряжений и воздействий возможных колебаний температур, водной среды и химических агрессивных веществ (растворов солей, кислот, щелочей и др.).

Следовательно, для обоснования выбора строительного материала необходимо учитывать комплекс его свойств.

Свойством называется способность материалов определенным образом реагировать на воздействие внешних или внутренних силовых, тепловых, усадочных и других факторов внешней среды.

Свойства материалов разделяют на четыре группы: механические, физические, химические и технологические. В совокупности их называют техническими свойствами строительных материалов. Численные значения свойств (необходимые для сравнения с нормативными требованиями) получают с помощью соответствующих приборов и оборудования при лабораторных или полевых испытаниях материалов.

 

Механические свойства

 

Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться силовым (от механических перегрузок), тепловым и усадочным напряжениям без изменения структуры материала.

Под напряжением, упрощенно, понимают внутреннюю силу, приходящуюся на единицу площади в данной точке данного сечения. Различают полное напряжение, имеющее направление равнодействующей внутренних сил, нормальное и касательное напряжения направленные, соответственно, вдоль нормали к сечению и вдоль касательной лежащей в плоскости сечения. Напряжения измеряются в МПа. В зависимости от величины возникающих напряжений материалы деформируются или разрушаются.

Механические свойства разделяют на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала изменять первоначальные размеры, форму или объем тела без изменения массы под дейсивием нагрузок или других воздействий (температура, влажность). Таким образом, деформация – изменение первоначальных размеров, объема или формы твердого или пластичного тела без изменения массы.

Главные виды деформаций (рис. 2.2): растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб.

Все виды деформаций могут быть обратимыми или необратимыми.

Обратимые деформации, которые исчезают мгновенно и полностью, называются упругими. Деформации исчезающиеся через некоторое время или вообще остающеяся, называются пластическими (остаточными).

Твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, проявляя при этом свойства упругости или пластичности.

Упругость – свойство материала мгновенно восстанавливать свои форму и объем после прекращения действия внешних сил. Наибольшее напряжение, при котором проявляется лишь упругая деформация, называют пределом упругости. К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь.

Пластичность – свойство материала необратимо деформироваться под действием внешних сил, (рис. 2.3). К пластичным материалам относятся битумы при положительных температурах, глины в увлажненном состоянии, некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

Механические свойства материалов оцениваются количественными показателями, получаемые в результате испытаний. Наибольшую информацию о механических свойствах материала обеспечивает испытание образцов на растяжение при статическом нагружении в процессе которого строится диаграмма в координатных осях: «механическое напряжение t – относительная деформация e» (рис. 2.3). Относительная деформация определяется соотношением где Dℓ – абсолютное линейное изменение образца, мм, за время t, ч; ℓ - начальная длина, мм.

Начальные участки диаграммы деформирования всегда прямолинейны (0 – 1).Это означает, что материал работает в упругой стадии. Связь напряжения и деформации на этом участке описывается с помощью закона Гука:

s= Еe, (2.3)

где Е – модуль упругости данного материала, МПа;

e – относительная деформация.

Пластическая деформация за пределами предела текучести t₀, переходит в область нарастания деформации без увеличения внешней нагрузки (t = const), т.е. в область ползучести материала.

Деформационные свойства строительных материалов обусловливаются релаксационными процессами.

Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале при условии, что образованная величина деформации остается неизменной, например, жестко зафиксированной.

Время (или период) релаксации (θ_р) определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снижается в e раз, отражено зависимостью:

θ_р = τ/е, (2.4)

где е – основание натуральных логарифмов, равное 2,718....

Характер снижения первоначального напряжения τ₀ во времени t при зафиксированной деформации выражается более полным уравнением

(2.5)

где λ – постоянная времени релаксации

Так, например, если у материала в виде образца внутреннее напряжение было 8 МПа, а образовавшаяся деформация под влиянием этого напряжения была жестко зафиксирована, то продолжительность времени (θ, с), за которое напряжение самопроизвольно снизилось до МПа, называется временем (периодом) релаксации, выраженным в секундах или минутах.

Время релаксации является важной характеристикой строительных материалов: чем оно меньше, тем менее деформативным является материал. Однако время релаксации не является постоянной величиной: оно зависит от температуры испытания и скорости приложения нагрузки. Действительно, напряжение, развиваемое в материале под действием нагрузки, определяется межмолекулярным взаимодействием частиц, что интегрально определяется вязкостью (h) и модулем упругости материала (Е), которые зависят от температуры и скорости приложения нагрузки, т.е. θ_р = В связи с этим, деформации могут быть очень сложными – упруго-вязкими или упруго-вязко-пластическими (рис. 2.4).

Важную роль (кроме температуры) играет продолжительность действия сил и ее сопоставимость с временем релаксации.

Рассмотрим два характерных случая.

При малой продолжительности действия сил (или кратковременном наблюдении) по сравнению с величиной времени релаксации (θ <<θ_р) все материалы ведут себя как упруго-хрупкие и имеют полную обратимость деформации, если напряжения не нарушают их сплошности. Так, например, при малом времени действия сил на воду, время релаксации которой равно порядка 10^-11с, она ведет себя как кристаллическое твердое тело.

При большой длительности действия сил по сравнению с величиной времени релаксации (θ >>θ_р), материал, подобно жидкости, течет.

Прочностные свойства

Прочность

Важным механическим свойством материалов является прочность, т.е. способность материала, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, усадочных, температурных или иных воздействий.

Типичными прочностными характеристиками являются: предел упругости, предел текучести, предел прочности.

Предел упругости (s_е) – механическая характеристика материалов: напряжение, при котором относительное остаточное удлинение достигает некоторого значения, установленного техническими условиями (например, 0,001 или 0,03 %). Предел упругости ограничивает область упругих деформаций.

Предел текучести) (s_у) – механическая характеристика материалов: наименьшее напряжение, соответствующее состоянию текучести материала образца.

Предел прочности (sи) – механическая характеристика материалов: напряжение, соответствующее началу разрушения материала образца, вызываемое наибольшим усилием в нем и определяемое как отношение действующей силы к площади поперечного сечения образца.

Графически, в качестве примера, прочностные характеристики пластичного материала показаны на рис. 2.5.

Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему циклической нагрузки. Это обусловлено усталостью материала – накоплением неотрелаксированных напряжений, вызывающих необратимые микродефекты в его структуре. Соответствующая прочность называется усталостной.

В зависимости от характера приложения нагрузки F различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб, скалывание (срез) (рис. 2.6).

Для экспериментального определения предела прочности материала используют образцы правильной геометрической формы – кубы, призмы, цилиндры, стержни. Размеры образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, правила обработки результатов выдерживаются в строгом соответствии с требованиями стандарта. Чаще всего материалы испытывают сжимающей или растягивающей нагрузкой F.

Предел прочности при сжатии или растяжении R рассчитывают по формуле

(2.6)

где F_разр – разрушающая нагрузка, Н;

S – площадь первоначального сечения образца в плоскости, перпендикулярной действию нагрузки, м².

Иногда для сравнения прочностных характеристик материалов используют показатель их удельной прочности – коэффициент конструктивного качества К_кк

К_кк = (2.7)

где R – предел прочности при сжатии; r₀ – средняя плотность материала.

Значения К_кк для некоторых строительных материалов приведены в табл. 2.1.

 

Таблица 2.1. Значения К_кк

Материал	Ккк
Тяжелый бетон	От 8 до 25
Стеклопластики	Более 250
Обычные стали	Более 50
Высокопрочные стали	100...150
Древесина вдоль волокон
Кирпич	5...6

 

Предел прочности при изгибе образца прямоугольного сечения при одной сосредоточенной нагрузке в середине пролета определяют по формуле:

(2.8)

где F – разрушающая нагрузка, Н; ℓ – расстояние между опорами, м;

b, h – ширина и высота поперечного сечения образца, м.

Схема испытания на изгиб показана на рис. 2.7.

Прочность материала зависит от его структуры и наличия в ней дефектов, пористости, влажности, состояния поверхности и других факторов.

Кроме прочности технической или реальной, существует прочность, рассчитываемая вычислением (теоретическая).

Упрощенный метод оценки теоретической прочности твердых тел был предложен М.Поляни-Орованом исходя из сил молекулярного (атомного) взаимодействия. Схема рассуждения была следующей.

Если, например, для разрыва стержня сечением 1 мм² необходимо приложить напряжение τ₀ и при этом атомные плоскости удалились друг от друга на величину α, то потребовавшаяся для этого работа выразится как произведение τ_0·α. При разрыве стержня образовались две новые поверхности площадью 2 мм², а затраченная работа перешла в свободную поверхностную энергию, которую можно обозначить как g и выразить в Дж/мм². Следовательно, τ_0·α = 2g. Отсюда находится теоретическая прочность: τ₀ = 2g/α.

Расчеты показали, что теоретическая прочность материалов на порядки (100 – 10000 раз) выше технической (реальной) прочности (табл. 2.2).

Приближенно теоретическая прочность однородного материала при растяжении R_р (или τ₀) может быть вычислена по формуле

(2.9)

где G – поверхностная энергия твердого тела, Дж/см²;

Е – модуль упругости, МПа;

х – межатомное расстояние, в среднем равное 2·10^{-8 см.}

 

Таблица 2.2. Значения модуля упругости и прочности материалов при растяжении

 

Материал	Модуль упругости, Е, МПа	Теоретическая прочность, τ0, МПа	Техническая прочность, τТ, МПа	Отношение τ0/τТ
Сталь
Стекло
Дерево вдоль волокон
Полистирол

 

Большое различие между теоретической и реальной прочностью материалов объясняется наличием микродефектов в структуре существующих материалов (микропоры, микротрещины и т.п.).

Чем крупнее образцы, тем больше они содержат в своей структуре дефектов, а потому их реальная прочность окажется ниже. Зависимость прочности от размера изделий в материаловедении называется масштабным эффектом.

Учитывая большую роль микродефектов (особенно микротрещин) в установлении реальной прочности твердых материалов, интенсивно проводились исследования в области возможных методов расчета. Наиболее известен метод Гриффитса. Он предложил формулу для расчета реальной прочности твердых тел, имеющих микротрещины

(2.10)

где Е_п – свободная поверхностная энергия;

Е_у – модуль упругости материала;

ℓ – длина поперечной микротрещины в образце, составляющая к моменту разрушения образца несколько мкм.

Прочность лучше, чем другие свойства материала, отражает изменения, происходящие в структуре материала (особенно в кристаллической). Поэтому ее можно изменять в необходимом направлении путем изменения микро- и макроструктуры материалов за счет уменьшения микродефектов. Практически этого достигают введением различных добавок, повышением дисперсности структурных компонентов, изменением пористости и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств могут служить: твердость, истираемость и ударная вязкость (динамическая прочность) материалов.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, тела. Твердость природных каменных материалов оценивают шкалой Мооса, представленной 10 минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Минералы расположены в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:

1. Тальк – Mg₃[Si₄ · O₁₀] [OH]₂

2. Гипс – СаSO₄ · 2H₂O

3. Кальцит – СаСО₃

4. Флюорит (плавиковый шпат) – СаF₂

5. Апатит – Са₅[РО₄]₃ · (F, Cℓ, OH)₂

6. Ортоклаз – КAℓSi₃О₈

7. Кварц – SiO₂

8. Топаз – Аℓ₂[F,OH]₂SiO₄

9. Корунд – Аℓ₂O₃

10. Алмаз – С

Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них с силой Р стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости НВ = Р/S, где S – площадь поверхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истирающему воздействию постоянно подвергаются покрытия автомобильных дорог от колес движущегося транспорта, полы и лестницы зданий от движения людей и т.п.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания и вычисляют по формуле:

г/см², (2.11)

где m₁ и m₂ – масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевым песком и наждаком).

О более сложном свойстве – износе (износостойкости) материала судят по испытанию пробы определенной массы путем ее вращения в специальном металлическом барабане совместно с набором металлических шаров или без них. Чем больше измельчается проба, тем больше износ, определяемый в процентах (по массе).

Ударная вязкость (динамическая прочность) – способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам. Определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте.

Динамическую прочность чаще всего определяют ударными испытаниями на маятниковых копрах и вычисляют по формуле

(Дж/м² или Дж/см²), (2.12)

где А – работа, затраченная на разрушение стандартного образца (Дж);

S – площадь сечения образца в месте разрушения (см², м²).

Отношение динамической прочности к статической называют динамическим коэффициентом.

 

Физические свойства

 

Физические свойства характеризуют состояние материала и отражают его способность противостоять физическим эксплуатационным воздействиям. К физическим воздействиям можно отнести осадки в виде дождя или снега, сезонные и суточные изменения температуры воздуха и т.д.

К физическим свойствам относятся свойства, связанные со строением и физическим состоянием материала, например, плотность (истинная, средняя, насыпная), свойства, связанные с отношением материала к воде (водопоглощение, водонасыщение, влажность, гигроскопичность, водонепроницаемость, водостойкость, морозостойкость), свойства, связанные с отношением материала к действию тепла и изменению температуры окружающей среды (теплопроводность, теплоемкость, термостойкость, огнестойкость, огнеупорность), а также к звуковым волнам, действию химических реагентов.

Параметры состояния

 

Истинная плотность (часто просто плотность) r_и – плотность того вещества, из которого состоит материал. При расчете этой характеристики объем материала вычисляют без пор и пустот, т.е. в абсолютно плотном состоянии. Истинная плотность – физическая константа вещества.

Определяется как отношение массы m материала, выраженной в г или кг к его объему V в абсолютно плотном состоянии

(2.13)

Размерность r_и – г/см³ или кг/м³.

Плотность строительных материалов колеблется в очень широких пределах: от 15 (пористая пластмасса) до 7850 кг/м³ (сталь).

Средняя плотность r₀ – плотность материала, когда при ее расчете берется его полный объем (V₀) в естественном состоянии, включая поры и пустоты.

Эта важная физическая величина определяется делением массы m образца на его объем V₀ с учетом пор и выражается в г/см³ или кг/м³

(2.14)

Для такого определения объема удобно принимать образцы правильной геометрической формы (куб, цилиндр). Если образцы неправильной геометрической формы, то среднюю плотность таких образцов определяют методом гидравлического взвешивания или с помощью объемомера.

Относительная плотность – это степень заполнения объема материала плотным веществом (j). Величина j характеризует структуру материала и равна отношению средней плотности к истинной:

Насыпная плотность r_н – отношение массы свободно насыпанного сыпучего рыхлого зернистого материала (песка, гравия, щебня), в том числе материала в виде порошка (цемент, известь, минеральный порошок для асфальтобетона) с учетом пор и межзерновых пустот, ко всему занимаемому им объему

кг/м³. (2.15)

На среднюю и насыпную плотность материала влияет его влажность. Вода замещает (вытесняет) воздух в порах материала и адсорбируется на поверхности его зерен, и поэтому, как правило, чем больше влажность материала, тем больше его плотность.

Для каждого материала ГОСТы (СТБ) устанавливают влажность, при которой определяется его плотность. Например, плотность тяжелого бетона определяют при его естественной влажности в сухом состоянии, а древесины – при влажности 12 %.

Структурные характеристики

Пористость – степень заполнения объема материала порами.