РОЗДІЛ 1. Будівельні матеріали і їх фізико-механічні

ЧАСТИНА І. КУРС ЛЕКЦІЙ

РОЗДІЛ 1. Будівельні матеріали і їх фізико-механічні

Властивості

Надійність споруд і техніко-економічна ефективність будівниц­тва значною мірою залежать від правильного вибору матеріалів. Су­часне будівництво має у своєму розпорядженні широку номенклатуру матеріалів, вибір яких визначається характером конструкцій, умовами їхньої роботи і техніко-економічними показниками.

Однієї з основних задач будівельного матеріалознавства є роз­робка шляхів керування властивостями і створення матеріалів з необ­хідними якісними показниками.

1.1. Загальні відомості

До будівельних матеріалів відносять природні і штучні речови­ни і вироби з них, які застосовують для зведення будинків і споруд. Усе різноманіття будівельних матеріалів можна класифікувати по ря­ду ознак: походженню, структурі, найбільш характерним властивос­тям, призначенню, способу виготовлення і т.д. (табл. 1.1).

Таблиця 1.1.	Класифікація	будівельних матеріалів
Походжен­ня	Структура	Властивості	Спосіб виготов­лення	Призначення
Неорганіч­	Конгло­	Важкі, легкі,	Безвипалювальні:	Стінові, покрі­
ні:	мератні,	пластичні,	отримані фізико-	вельні, лицю-
металічні,	неконгло-	пружні, моро-	механічною обро-	вальні, гідро-
неметалічні	мератні,	зо-, водо-, кис-	бкою гірських по-	ізоляційні, теп­
Органічні:	щільні,	лото-, термо-,	рід, деревини й	лоізоляційні.
низькомо­	пористі,	вогнестійкі;	іншої сировини,	Спеціальні: для
лекулярні,	волокнис­	легкоплавкі,	формуванням су­	дорожніх по-
високомо-	ті, криста­	тугоплавкі,	мішей, що вклю­	крить, зведення
лекулярні	лічні,	вогнетривкі	чають в'яжуче і	гребель, про-
(полімерні),	склоподі­		заповнювачі, оде-	кладки трубо-
Змішані	бні, амор­		ржувані випалом:	проводів, сан-
(органомі-	фні		до спікання, до	технічні та ін.
неральні)			плавлення

 

Якість будівельних матеріалів визначається сукупністю їхніх технічних властивостей, знання яких необхідно для зведення довгові­чних споруджень і ефективного виконання будівельних робіт. Звичай­но головними при оцінці якості матеріалів є показники призначення (склад, структура, транспортабельність і ін.) і надійності (безвідмов­ність, ремонтопридатність, зберігаємість і ін.). Основним економічним показником є витрати на розробку і виготовлення матеріалу з необ­хідними властивостями.

Властивості будівельних матеріалів визначаються їх хімічним і фазовим складами, що характеризують відповідно процентний вміст хімічних елементів чи оксидів і окремих складових частин (фаз). Так, хімічний склад мінеральних неметалічних матеріалів - найбільш ве­ликої групи будівельних матеріалів - включає звичайно наступні ок­сиди: 8іО2, СаО, МвО, ^О, К2О, АІ2О3, Ре20з, РеО, Н2О. Фазовий склад їх представлений різноманітними природними чи штучними силікатами, алюмосилікатами, алюмінатами, феритами, оксидами і їх гідратами.

Поряд зі складом істотний вплив на властивості матеріалів чи­нить їхня структура, тобто будова, що характеризується величиною, формою і просторовим розташуванням складових часток. Більшість матеріалів і твердих речовин, що їх складають, мають кристалічну бу­дову (рис. 1.1), що характеризується правильним розташуванням час­ток у просторі. Для кристалічної будови характерна анізотро - п і я, тобто неоднаковість властивостей у різних напрямках, наявність певної температури плавлення і т. д. Деякі речовини при однаковому складі можуть мати різну кристалічну структуру і різко відмінні влас­тивості. Це явище називається поліморфізмом. Наприклад, кристали графіту містять шари, складені з правильних шестикутників, а кристали алмаза мають вид куба. Різна кристалічна структура вугле­цю в цих матеріалах приводить до різкого розходження їхніх властивостей.

Поліморфізм характерний для кварцу, багатьох силікатів і інших речовин, що складають матеріали. У реальних кристалах можливі різ­ні відхилення від ідеальної будови чи дефекти, що істотно впливають на фізико-механічні властивості матеріалів.

Речовини, що не мають кристалічної будови, називають а м о - р ф н и м и. До них можна віднести багато полімерів і деякі види гір­ських порід. Аморфні речовини - ізотропні, тобто мають однако­ві властивості у всіх напрямках, не мають строго визначеної темпера­тури плавлення, хімічно більш активні. Проміжним між аморфним і кристалічним станами є склоподібний стан, характерний для будіве-

Рис. 1.1. Кристалічна структура оксиду кальцію (білі і чорні кружки - атоми кисню і металу)

 

льного скла, шлаків, деяких гірських порід.

Деякі з будівельних матеріалів можна розглядати як д и с п е р с н і с и с т е м и, що складаються з дрібних часток однієї речовини (дисперсної фази), розподілених в іншій (дисперсійному середовищі). Грубодисперсні системи мають розмір часток дисперсної фази більше 100 мкм. Прикладами їх є порошкоподібні матеріали, суспензії й ему­льсії, стійкі в зваженому стані.

Колоїднодисперсні системи з розмірами часток 1... 100 мкм стійкі до седиментації, тобто розшарування під дією сил ваги. Частки їх світяться в світлі,що проходить, переміщаються до електро­дів при проходженні електричного струму (електрофорез). Приклада­ми колоїднодисперсних систем можуть служити глиняне, цементне, вапняне тісто, кольорове скло, латекси, пігменти й ін.

У виробництві будівельних матеріалів важливе значення мають такі колоїдно-хімічні процеси, як набрякання, розчинення, гелеутво- рення, коагуляція, пептизація, адсорбція і т.п.

Гелі - системи, що утворилися в результаті дії молекулярних сил зчеплення між колоїдними частками. Гелеутворення відбувається при твердінні цементу і виробництві різних полімерних матеріалів. Під дією механічних зусиль гелі розріджуються. Це явище називається тиксотропією і виникає, наприклад, при вібруванні бетонних сумішей.

У колоїдних системах довільно протікають процеси злипання й укрупнення часток, що називаються коагуляцією. Процеси, зворотні коагуляції, називають пептизацією, вони відбува­ються, наприклад, при введенні в бетонні суміші пластифікуючих до­бавок.

Концентрування і поглинання речовин на поверхні розділу фаз називається адсорбцією. Речовини, що адсорбуються, чи так звані поверхнево-активні речовини, широко застосовують у технології будівельних матеріалів для пластифікації розчинних і бетонних сумі­шей, їхньої гідрофобізації, одержання стійких емульсій і суспензій і т.д.

Технологія будівельних матеріалів є різновидом хімічної техно­логії. Вона включає процеси подрібнення, перемішування, формуван­ня, термічної обробки і т. д. Для створення сучасних будівельних ма­теріалів застосовують надтонке подрібнення, вібраційну й акустичну технології, високі тиски і температури, електро- і паророзігрів, полі­меризацію й інші способи обробки.

Для випробування матеріалів широко використовують новітні методи хімічного аналізу, рентгеноструктурний, петрографічний, ди- ференційно-термічний, електронно-мікроскопічний аналізи, ультра­звуковий, радіаційний і інші методи контролю.

Витрати на матеріали, що використовуються при зведенні буди­нків і споруджень, складають більше половини загальної вартості бу­дівельно-монтажних робіт і біля однієї третини капітальних вкладень у народне господарство України. Застосування ефективних матеріалів і конструкцій є одним з найбільш важливих напрямків технічного про­гресу в будівництві. До ефективних будівельних матеріалів відносять­ся конструкції і деталі підвищеної заводської готовності, що дозволя­ють здійснювати будівництво будинків і споруджень індустріальними методами. Найбільшим резервом підвищення ефективності будівель­них матеріалів є також зниження їхньої матеріалоємності за рахунок впровадження нових полегшених деталей і конструкцій, комплексного використання сировини і відходів промисловості, зменшення питомої витрати сировини, палива й електроенергії, втрат при транспортуванні і збереженні і т. д.

1.2. Основні фізико-механічні властивості матеріалів

Властивості будівельних матеріалів класифікують по характеру їх відношення до різних впливів навколишнього середовища. В окремі групи виділяють звичайно властивості, що характеризують відношен­ня матеріалів до хімічних, фізичних і механічних впливів. Похідними від хімічних, фізичних і механічних властивостей є технологічні влас­тивості, що характеризують відношення матеріалу до сприйняття тех­нологічних операцій (розколювальність, зварюваність, формівність і ін.). Властивості матеріалів взаємозалежні й обумовлені їхнім похо­дженням, складом, структурою, способом одержання. Найбільш важ­ливими для будівельних матеріалів, що застосовуються у будівництві, є фізичні і механічні властивості, що характеризують стан матеріалів, їхнє відношення до води і температури, а також механічних впливів.

Густина і пористість. Густина характеризує масу речовини в одиниці об'єму. Розрізняють дійсну густину речовини (р) і середню густину матеріалу з урахуванням наявних у ньому пор і по­рожнин (ро). Густину речовини і матеріалу обчислюють по формулах:

т т

р = —; р о = — ■

^к V V

* а *

де т - маса; У_а - об'єм речовини, з якого складається матеріал, в аб­солютно щільному стані; У - об'єм матеріалу.

Відношення середньої густини матеріалу ро до дійсної густини речовини р характеризує ступінь заповнення об'єму матеріалу твер­дою речовиною і називається відносною щільністю:

а = Ж = ^ (< і).

р V

Пористість показує ступінь заповнення об'єму матеріалу порами:

р₀ Р ^-Ро

р = і - а = і

рр

Для сипучих матеріалів по наведеній вище формулі, де ро - на­сипна густина, можна знайти міжзернову порожнистість.

Пористість - найважливіший показник структури матеріалів, з нею тісно зв'язані їхні технічні властивості. При цьому значення має не тільки величина загальної пористості, але і будова порового прос­тору, наявність відкритих і закритих, капілярних і некапілярних пор і т.д. Наприклад, морозостійкість бетону при збільшенні об''єму відкри­тих, заповнюваних водою пор зменшується, а при збільшенні закри­тих, навпаки, зростає.

Капілярні пори на відміну від некапілярних заповнюються во­дою, що піднімається за рахунок тиску, який викликаний поверхневим натягом рідини. Від обсягу капілярних пор залежать водопоглинання, морозостійкість, водонепроникність і ряд інших властивостей матері­алів.

Спосіб визначення пористості залежить від її виду і розмірів пор. По приведеній вище формулі знаходять загальну, пористість, а відкриту (уявну) пористість знаходять по водонасиченню матеріалу.

Гідрофізичні властивості. Поводження матеріа­лів у конструкціях, які підлягають зволоженню, залежить від їхньої здатності змочуватися водою і поглинати її, змінювати при зволожен­ні механічні властивості і пропускати воду під тиском. Кількість води, що міститься в порах і на поверхні матеріалу, виражена у відсотках стосовно його маси в сухому стані, називають вологістю.

Змочуваність водою, чи гідрофільність матеріалу характеризу­ється ступенем розтікання краплі води на його поверхні. Кількісно вона визначається крайовим кутом, утвореним дотичною до поверхні краплі з поверхнею твердого тіла, чи його косинусом. Для гідрофіль­них матеріалів крайовий кут гострий. Добре змочуються водою мате­ріали з речовин з вираженим полярним зв'язком молекул - природні і штучні кам'яні матеріали, скло й ін. Надати матеріалам водовідштов­хувальні властивості можна гідрофобізацією, тобто створенням на їх­ній поверхні адсорбційного шару поверхнево-активних речовин (ПАР). Таким способом одержують гідрофобний цемент, гідрофобні покриття на ряді матеріалів. Молекули ПАР при гідрофобізації, адсо­рбуючись на поверхні, орієнтуються таким чином, що їхні полярні групи звернені до поверхні матеріалу, а вуглеводневі ланцюги - у по­вітря. За допомогою спеціальних ПАР можна домогтися і зворотного ефекту - гідрофілізації гідрофобних матеріалів.

Г і г р о с к о п і ч н і с т ь - здатність матеріалу поглинати во­дяні пари з повітря в результаті адсорбції. Кількість адсорбованої води росте з підвищенням відносної вологості, зниженням температури і збільшенням тиску. Гігроскопічність може супроводжуватися утво­ренням нових сполук - гідратів і кристалогідратів. Так, при поглинан­ні води оксидом кальцію утвориться гідроксид. У мікрокапілярах по­ристих матеріалів з радіусом менш 10^-5 см пари води конденсуються. Відношення кількості води, поглиненої матеріалом, до загальної кіль­кості цього матеріалу називається гігроскопічною вологістю. Макси­мальна гігроскопічна вологість різна для різноманітних пористих ма­теріалів: 4.9 % - для піску, 14.28 - для сосни, 9.25 % - для фібро­літу. Вона росте з підвищенням капілярної пористості і зменшенням радіуса капілярів. Гігроскопічність змінює інші властивості матеріа­лів, приводить до втрати активності цементів, викликає зміну густи­ни, розмірів і міцності деревини, збільшує теплопровідність.

Для капілярно-пористих матеріалів характерна здатність зволо­жуватися за рахунок підйому і переміщення води під дією капілярного тиску (капілярне всмоктування). З нею зв'язаний підйом води в мате­ріалах, прямо пропорційний косинусу крайового кута змочування, тобто ступеню гідрофільності, і протилежно пропорційний радіусу капілярів. Капілярне всмоктування мінералізованих вод може супро­воджуватися відкладенням у порах солей (сольова корозія). Капілярне всмоктування використовується для просочення пористих матеріалів, наприклад, просочення бітумом залізобетонних конструкцій.

Водопоглинання - здатність матеріалів поглинати й утримувати воду. Розрізняють водопоглинення по масі і по об'єму Wо:

т₂ - т

W = ^{2 1} • 100; т₁

^т2 ^-ті

w_о = ■■ ² -¹. іоо.

⁰ V

де ті, т₂ - маси сухого і насиченого водою матеріалу.

Водопоглинання по об'єму показує ступінь заповнення об'єму матеріалу водою, тобто відкриту уявну пористість. Зміна водопогли- нання може вказувати на зміну й інших властивостей матеріалів, на­приклад міцності, морозостійкості, хімічної стійкості, тому даний по­казник часто нормується. Так, глиняна цегла повинна мати водопог­линання не менш 6 чи 8 % (у залежності від марки), а силікатна - не більш 16 % (14 % - лицьова). Для звичайних торф'яних плит водопог­линання повинне бути не більш 180 %, а водостійких - 50 % і т.д. Во­допоглинання визначається витримуванням зразків у воді при норма­льній температурі чи при кип'ятінні протягом визначеного часу.

При насиченні матеріалу водою міцність його знижується в ре­зультаті розчинення контактів зростання кристалів, розклинюючого ефекту адсорбційних водяних шарів, хімічної взаємодії води з окре­мими компонентами, набрякання глинистих матеріалів і інших проце­сів. Здатність матеріалів зберігати міцність при насиченні водою нази­вається в о д о с т і й к і с т ю. Показником водостійкості служить к о е ф і ц і є н т р о з м ' я к ш е н н я:

р

КК _ н.в

^Р ІР с

де Я_н._в - міцність матеріалу, насиченого водою; Я - міцність сухого матеріалу.

Коефіцієнт розм'якшення наближається до нуля для глинистих невипалених матеріалів і до одиниці - для металів, скла, полімерів. Для водостійких матеріалів К_р = 0,75.0,8. Підвищення його досяга­ється гідрофобізацією, а також технологічними прийомами, що спри­яють зниженню розчинності і пористості матеріалів. Наприклад, кое­фіцієнт розм'якшення гіпсових виробів можна підвищити майже в 2,5 рази (від 0,3 до 0,7), замінивши будівельний гіпс на змішане гіпсоце- ментнопуцоланове в'яжуче.

Для зниження тиску льоду ефективне утворення в матеріалі за- 1 2

Стійкість матеріалу, насиченого водою, до поперемінного замо­рожування і відтаювання називається м о р о з о с т і й к і с т ю. Мо­розостійкість обумовлена опором матеріалів високому тиску, що ви­никає в їхніх порах при заморожуванні води. Кристалізація льоду су­проводжується збільшенням об'єму приблизно на 8 % і розвитком ти­ску до 200 МПа. При чергуванні циклів заморожування і відтаювання в матеріалах накопичуються залишкові деформації, що приводять до руйнування (рис.1.2). Розходження коефіцієнтів термічного розши­рення компонентів, що входять у матеріали, також приводить до на­пруженого стану. Показником морозостійкості є число циклів (для деяких матеріалів - від'ємна температура), що витримують зразки при припустимому ступені руйнування. Для більшості будівельних мате­ріалів після іспиту їх на морозостійкість зниження міцності допуска­ється не більш 25 %, а втрати маси - 5 %. Морозостійкість залежить від складу, пористості і структури порового простору; вона знижуєть­ся зі зменшенням водостійкості і ростом водопоглинення матеріалів.

Рис. 1.2. Стан зразків матеріалу при випробуванні на морозостій­кість (по десятибальній шкалі С. В. Шестоперова).

 

мкнутих повітряних пор, що виконують роль амортизаторів.

Випробування матеріалів на морозостійкість ведуть у морозиль­них камерах звичайно при -15...-18 °С, коли в більшості капілярів во­да переходить у лід. Подальше зниження температури веде до істотно­го зменшення морозостійкості, що пояснюється залученням у процес руйнування усе більш тонких капілярів.

При роботі пористого матеріалу в умовах визначеного тиску во­ди спостерігається її фільтрація. В залежності від структури порового простору можливі в'язкісний, капілярний чи дифузійний переноси во­ди.

При в'язкісному переносі вода переміщається тільки у вигляді рідини, при капілярному вона може переноситися й у вигляді пари, а при дифузійному - у вигляді окремих молекул. Здатність матеріалів не пропускати воду під тиском називають в о д о н е п р о н и к н і с т ю. Практично водонепроникними вважаються матеріали, відносна щіль­ність яких наближається до одиниці (метали, скло, полімери). Високу водонепроникність мають матеріали із замкненими порами, а також ті, що вміщують в основному мікрокапіляри (кераміка, тонкодисперсні глини й ін.). Порівняно низька водонепроникність характерна для ма­теріалів зі сполученими капілярами.

Водонепроникність матеріалів виміряється трьома методами: тиском води, що витримує зразок протягом заданого часу без появи ознак фільтрації (рис. 1.3); часом, необхідним для проходження зада­ного об'єму води при постійному тиску; кількістю води, яка просочи­лася протягом заданого часу при встановленому тиску. Найбільш роз­повсюджений перший метод. Він застосовується для оцінки водонеп­роникності бетону, рулонних гідроізоляційних матеріалів, асфальто­вих мастик і т. д.

Теплофізичні властивості. У цю групу входять властивості матеріалів, що характеризують їхнє відношення до зміни температури. Здатність матеріалу поглинати теплоту при нагріванні на 1 градус називають т е п л о є м н і с т ю. Питома теплоємність (тепло­ємність одиниці маси матеріалу) знаходиться по формулі

с = ° ^с т(І 2 - 1 і)

де Q - кількість теплоти, кДж; т - маса, кг; і 1 - температура до і після нагрівання, °С.

Питома теплоємність залежить від походження й особливостей структури матеріалів, їхньої вологості і температури. Так, для приро-

дних і штучних кам'яних матеріалів с = 0,754...0,921, для скла с = 0,335. 1,047, для лісових матеріалів с = 2,394.2,73 кДж/(кг-°С). Рис. 1.3. Установка для визначення водонепроникності бетону: 1 - манометр; 2 - зажимні фланці; 3 - обойма; 4 - бетонний зразок; 5 - компенсатор тиску; 6 - водяний насос; 7 - балон із стисненим повітрям.

 

Питому теплоємність використовують при розрахунку тепло­тривкості огороджень, термічної тріщиностійкості матеріалів, необ­хідного підігріву матеріалів при зимовому бетонуванні і т. д.

Матеріали здатні як поглинати, так і передавати теплоту. Один з видів теплопередачі, при якому перенос теплоти здійснюється за ра­хунок коливання атомів чи руху і взаємодії електронів, називається т е п л о п р о в і д н і с т ю.

Питома теплопровідність X, Вт/(м-°С) характеризує кількість те­плоти Q, що проходить в одиницю часу т через одиницю поверхні ма­теріалу Б при зміні температури Аі на 1 °С:

_А Об

А =-------,

РтАІ

де 5 - товщина матеріалу, м.

Теплопровідність більшості будівельних матеріалів збільшуєть­ся з підвищенням температури, причому ця залежність в інтервалі від 0 до 100 °С має характер близький до лінійного. Різко підвищується теплопровідність також зі збільшенням вологості матеріалів. В міру підвищення пористості, особливо об'єму дрібних замкнутих пор, теп­лопровідність матеріалів понижується. Це обумовлено заповненням їх повітрям, що у нерухомому стані має найменшу питому теплопровід­ність (при 20 °С X = 0,025 Вт/(м-°С). Знижується теплопровідність і в міру ускладнення хімічного складу матеріалу, переходу від кристаліч­ного до аморфної будови.

Значення питомої теплопровідності X, Вт/(м-°С): для міді - 350, сталі - 58, граніту - 2,8.3,4, важкого бетону - 1,3.3,4, цегли зви­чайної - 0,7.0,8, пористого бетону - 0,15.0,4, мінеральної вати - 0,042.0,081, поропластів - 0,035.

Теплопровідність - найважливіший критерій теплоізоляційних властивостей матеріалів. При впливі на матеріали високих температур важливе значення мають їхня теплостійкість, термо- і вогнетривкість, вогнестійкість.

Т е п л о с т і й к і с т ь - властивість матеріалу зберігати експлу­атаційні характеристики (наприклад, міцність, пластичність, ударну в' язкість) при механічному і хімічному впливі в умовах високої тем­ператури. Жаростійкість - це здатність матеріалу витримувати трива­ле нагрівання до 1000°С без зміни експлуатаційних характеристик. До жаростійких відносять різні керамічні і металеві матеріали, ситали, спеціальні бетони.

Т е р м о с т і й к і с т ь - це здатність матеріалів витримувати без руйнування циклічні зміни температури. Підвищену термостій­кість мають матеріали з низьким коефіцієнтом термічного розширення (плавлений кварц, спеціальне скло), високою теплопровідністю і ни­зьким модулем пружності (метали).

Здатність матеріалів зберігати свої експлуатаційні властивості при впливі вогню в умовах пожежі називають в о г н е с т і й к і с т ю. Межею вогнестійкості є тривалість опору впливу вогню до втрати не­сучої здатності (суттєвого зниження міцності і значних деформацій). Наприклад, у бетону межа вогнестійкості 2.5 год., у залізобетону - 1.2 год., у металевих конструкцій - 0,5 год.

В о г н е т р и в к і с т ь - це здатність матеріалів протистояти впливу високих температур не розплавляючись. Вона характеризуєть­ся температурою, при якій зразок усіченої піраміди розм'якшується так, що його вершина, нахиляючись, торкається основи. Для вогне­тривких матеріалів (динас, шамот, корунд і ін.) ця температура не ни­жче 1580°С.

Міцнісні властивості. У цю групу механічних вла­стивостей входять: міцність, твердість, стиранність і ударна в' язкість матеріалів.

М і ц н і с т ь - це опір матеріалів руйнуванню під дією зовніш­ніх навантажень. Вона обумовлена взаємодією часток (атомів, чи мо­лекул іонів), що складають матеріали. Фактична міцність матеріалів нижча теоретичної через наявність домішок і дефектів структури.

В залежності від будови й умов випробування руйнування мате­ріалів може бути крихким чи пластичним. Перше характерно для природних і штучних кам'яних матеріалів, скла, друге - для металів, сплавів, полімерів.

Процес руйнування матеріалу починається з виникнення в ньо­му мікротріщин, що під дією навантаження розвиваються до критич­ного розміру, від чого матеріал руйнується. Максимальна напруга, при якій матеріал руйнується під дією зростаючого навантаження, назива­ється межею міцності. При тривалому прикладанні, а також багатора­зовому повторенні навантаження, руйнування можливе і при напру­женнях, менших межі міцності. Міцність залежить також від темпера­тури, характеру середовища і виду напруженого стану (стиску, розтя­гу, вигину, зрізу, крутіння чи комбінованого впливу). Міцність мате­ріалів зменшується зі збільшенням їхньої пористості, що приводить до зниження кількості зв'язків між структурними елементами і нерівно­мірного розподілу навантаження.

У лабораторних умовах міцність визначають руйнуванням конт­рольних зразків за допомогою гідравлічних пресів, розривних і інших випробувальних машин. Для крихких матеріалів основними міцнісни- ми характеристиками є границя міцності при стиску (Я^) і при згині (Я₃), а для пластичних - при розтягу (Я_р). Границю міцності при стис­ку і розтягу визначають за формулою:

аР

R _ ^ ^гтах

де Р_тах - максимальне навантаження, Н; Бо - початкова площа попе­речного перерізу зразка, м²; а - перевідний коефіцієнт від міцності випробовуваних зразків до міцності зразків стандартної форми і роз­мірів. Для границі міцності при згині

* з=М

³ W

де М - найбільший згинальний момент, Нм; W - момент опору пере­різу зразка, м.

Наприклад, при згині балки прямокутного перерізу й одному зо­середженому зусиллі

3Р 1

* = тах^

^3_ 2ЬИ² '

де 1 - відстань між опорами, м; Ь і Ь - ширина і висота поперечного перерізу зразка, м.

Прогресивними способами визначення міцності матеріалів без­посередньо у виробах і конструкціях є неруйнівні способи за допомо­гою ультразвукових, механічних і інших методів.

Опір матеріалів руйнуванню чи деформуванню в поверхневому шарі при місцевих силових впливах характеризує т в е р д і с т ь. Тве­рдість матеріалів можна розглядати як їх міцність при вдавлюванні. Для визначення твердості використовуються методи вдавлювання на­конечників різних типів і вимірювання відбитків. Відношення наван­таження до площі поверхні відбитку називають числом твердості. Для приблизного визначення твердості гірських порід застосовують метод Мооса, заснований на дряпанні матеріалу еталонним мінералом. Пер­шим у шкалі Мооса стоїть тальк, що має твердість 1, а останнім - ал­маз із твердістю 10.

Для ряду матеріалів важливими властивостями є також стиран- ність і ударна міцність. С т и р а н н і с т ь характеризується втратами маси зразка, що віднесені до одиниці поверхні, і визначається на спе­ціальних приладах, а ударна (динамічна) міцність - роботою, витраче­ною на руйнування зразка при ударі, тобто при короткочасних наван­таженнях високої інтенсивності.

Д е ф о р м а т и в н і в л а с т и в о с т і. Ця група механічних властивостей характеризує деформації матеріалу, тобто їхню здатність змінювати форму і розміри без зміни маси. Розрізняють пружні, або цілком оборотні, необоротні або пластичні, а також складні пружноп- ластичні чи пружнов'язкопластичні деформації.

П р у ж н і с т ь - властивість матеріалу відновлювати форму й об'єм після припинення дії деформуючих сил. Вона обумовлено праг­ненням часток, що складають матеріал, повернутися у вихідний стан. Найбільша напруга, при якій практично не виявляються залишкові деформації, називається границею пружності. В області пружних де­формацій справедливий закон Гука - деформація матеріалу прямо пропорційна діючому напруженню о:

_ с

⁸ _ Е'

де Е - модуль пружності при розтягу (модуль Юнга), що характеризує міцність міжатомних зв'язків у кристалічних ґратках. Модуль пруж­ності зв'язаний з міцністю і твердістю матеріалів і змінюється зі змі­ною складу, температури й інших факторів.

Для природних і штучних кам'яних матеріалів, скла, металів пружна деформація незначна.

П л а с т и ч н і с т ь - властивість матеріалів змінювати під дією зовнішніх сил, не руйнуючись, свою форму і розміри і зберігати плас­тичні деформації після зняття навантажень. Пластичні деформації на­стають при напруженнях, що перевищують границю пружності. Здат­ність до пластичних деформацій без помітного збільшення наванта­ження називають текучістю. За певних умов для ряду матеріалів (бе­тону, металів, кераміки) характерна повзучість - безперервне повільне зростання деформації при постійному навантаженні.

Здатність матеріалів руйнуватися без помітної пластичної дефо­рмації називають крихкістю, а їх опір розвитку пластичних деформа­цій - в'язкістю. Один і той самий матеріал в залежності від вихідних умов: виду напруженого стану, температури, середовища, швидкості деформування - може знаходитися в крихкому чи пластичному стані. Наприклад, багато металів, асфальт і інші матеріали при нормальній температурі - пластичні, а при низькій - крихкі.

Таблиця 3.1. Марки гіпсових в'яжучих

	Границя міцності ба­	Марка в' яжучого	Границя міцності бало­
Марка в'яжучого	лочок через 2 год тве­рдіння не менше, МПа	чок через 2 год твер­діння не менше, МПа
на стиск	на згин		на стиск	на згин
Г-2		1,2	Г-10		4,5
Г-3		1,8	Г-13		5,5
Г-4			Г-16
Г-5		2,5	Г-19		6,5
Г-6			Г-22
Г-7		3,5	Г-25