Механические свойства строительных материалов

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению от внутренних напряжений, возникающих в нем при воздействии внешних сил. В конструкциях строительные материалы при действии нагрузок испытывают различные деформации и соответствующие им напряжения: сжатия, растяжения, изгиба, среза и др.

В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, все они подразделяются на пластичные (углеродистые стали, алюми­ний, медь) и хрупкие (бетон, природные камни, чугун и др.).

Различные материалы по-разному сопротивляются деформаци­ям.

Мерой прочности материалов является предел прочности. Предел прочности — максимальное напряжение, при котором происходит разрушение образца материала.

Предел прочности при сжатии R_сж или предел прочности при растяжении R_р, МПа, равен отношению разрушающей нагрузки F площади поперечного сечения образца А, подвергающегося испыта­нию, и вычисляется по формуле (СТБ 4.206—94)

 

где F— разрушающая нагрузка, Н; А— площадь поперечного сече­ния образца, мм².

Предел прочности при изгибе образца прямоугольного сечения при действии одной сосредоточенной силы, приложенной по середине образца, вычисляют по формуле

 

где I — расстояние между опорами, мм; b и h — ширина и высота по­перечного сечения образца, мм.

I — на сжатие: а — плотный природный камень;

б — пористый природный камень; в — бетон;

г — кирпич (куб склеен из двух половинок); II — на изгиб:

а — цементный раствор; б— кирпич; III — на растяжение: сталь

соответствовать требованиям ГОСТа. Для испытания материалов на сжатие образцы изготовляют в виде куба или цилиндра, на растяже­ние — в виде призмы или стержня или в виде восьмерки (для биту­ма), на изгиб — в виде балочки (призмы), кирпича (в натуре) на двух опорах. Испытывают образцы до разрушения в лабораториях на гид­равлическом прессе или разрывных машинах.

Различные материалы обладают неодинаковым пределом прочности при сжатии: от 0,5 (торфяные плиты) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь).

Прочность конструкционных строительных материалов характе­ризуется маркой (М), которая, как правило, совпадает по значению с минимально допустимым пределом прочности при сжатии. Марка ма­териала по прочности является важнейшим показателем его качества.

Для каменных материалов марку определяют по пределу проч­ности при сжатии (в ряде случаев с учетом

Прочность материалов зависит от структуры, пористости, влаж­ности, дефектов строения, длительности и характера приложения нагрузки, среды, температуры, состояния поверхности и других фак­торов. Часто для оценки эффективности конструкционных строитель­ных материалов используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.) материала, который численно определяют отношением преде­ла прочности при сжатии к средней плотности материала:

 

 

Лучшие конструкционные материалы имеют высокую проч­ность при малой средней плотности. Например, для алюминия к.к.к.=4,61; для древесины к.к.к. = 0,8; для стали к.к.к. = 0,5...1,0; для пластмасс к.к.к. = 0,5...0,25.

Твердость — способность материала сопротивляться проникно­вению в него другого, более твердого тела.

Твердость определяется структурой материала. Количественно показатель твердости (число твердости НВ) оценивают различными способами. Твердость битума определяют на приборе пенетрометре по глубине проникания в битум иглы под нагрузкой. Твердость окрасоч­ной пленки определяют маятниковым прибором. Твердость древеси­ны, металлов, бетона, пластмасс и некоторых других материалов оп­ределяют, вдавливая в них стальной шарик (метод Бринелля) или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В этом случае твердость материала характеризует его способность сопротивляться пластической деформации на поверхности образца. При вдавливании шарика определенного диаметра из закаленной хромистой стали на поверхности материала образуется сферический отпечаток.

Число твердости определяют по формуле

где F — нагрузка на шарик, Н; А — площадь поверхности отпечатка, мм².

Твердость каменных строительных материалов, природных камней и минералов оценивают шкалой твердости Мооса (включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10), представ­ленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие (табл. 1.3).

Твердость влияет на обрабатываемость материала. Высокая прочность материала не всегда свидетельствует о его высокой твердо­сти. Например, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а по прочности при изгибе превосходит его, однако твердость древесины значительно меньше, чем у бетона.

Характеристика твердости имеет значение при выборе мате­риалов для покрытия полов, лестниц, дорожных покрытий, при опре­делении способа механической обработки лицевой поверхности мате­риалов.

Истираемость — свойство материалов уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Сопротивление истиранию определяют для материалов, которые в процессе эксплуатации под­вергаются истирающему воздействию. Это важное свойство для полов, лестничных ступеней, дорожных покрытий.

Истираемость И вычисляют по формуле

где т, т₁ — масса образца соответственно до и после испытания, г;

 

А — площадь истираемой поверхности, см².

Упругостью называют способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, которая вызвала эти изменения. Наибольшее напряжение, до которого в ма­териале возникают только упругие деформации, называют пределом упругости. У каждого материала есть постоянная характеристика — модуль упругости Е, Па или МПа. Модуль упругости характеризует жесткость материала, т.е. его способность сопротивляться упругим деформациям.

Упругими являются резина, герметизирующие прокладки, ла­кокрасочные пленки, сталь, древесина и другие материалы.

Пластичность — свойство твердого материала изменять без раз­рушения форму и размеры под действием нагрузки и сохранять их по­сле ее снятия. Пластичными являются глиняное тесто, бетонные и рас­творные смеси, битум при положительных температурах, свинец и др.

Хрупкость — свойство твердого материала внезапно разру­шаться под действием внешних сил без предварительной остаточной деформации.

кристаллическим, стеклообраз­ным, но и полимерным материалам. Большинство материалов при понижении температуры становятся хрупкими (битумы, некоторые пластмассы, металлы).

Малоуглеродистая сталь, пластичная при комнатной темпера­туре, при сильном охлаждении становится хрупкой. К хрупким мате­риалам относятся стекло, керамические изделия, чугун.

Ударная вязкость или сопротивление удару — свойство, харак­теризующее сопротивление материала разрушению или деформиро­ванию при ударе. Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару.

Сопротивление удару важно для материалов дорожных покры­тий, а также конструкций, подвергаемых при эксплуатации динами­ческим (ударным) нагрузкам.

Для рулонных материалов (отделочных, обоев и др.) важными свойствами являются разрывная прочность (при надрезе), прочность при проколе, продавливании и т.п.

Износ — разрушение материала при совместном действии ис­тирания и удара. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости. Прочность при износе оценива­ется потерей в массе, выраженной в процентах. Износ важен для ма­териалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий, лакокрасоч­ных пленок.