Механические свойства строительных материалов

Механические свойства строительных материалов имеют решающее значение для строительных изделий и конструкций, работающих под действием нагрузок. Длительные внешние нагрузки вызывают деформацию либо разрушение материала. Сопротивление материала механическому разрушению характеризуется их прочностными показателями: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлению удару, износу. Механические свойства непосредственно связаны со структурой материала, силами сцепления между частичками, а также особенностями их теплового движения.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами. Мерой прочности материалов является предел прочности - наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается.

Предел прочности при сжатии или растяжении (МПа, кг/см²) равен отношению разрушающей силы к площади поперечного сечения образца, подвергающегося испытанию и вычисляется по формуле:

R_c = Р_разр./F, 12

R_рас = Р_разр./F, 13

где Р_разр. - разрушающая нагрузка, кг; F- площадь поперечного сечения, см²

Предел прочности при изгибе материала прямоугольного сечения и при одной сосредоточенной нагрузке в его середине вычисляют по формуле:

R_изг=3Pl/2bh², кг/см², Мпа 14

где Р_разр. - разрушающая нагрузка, кг; l - расстояние между опорами, мм; b и h - ширина и высота поперечного сечения образца, мм.

Для определения прочностных характеристик строительных материалов используются как разрушающие так инеразрушающие методы. При разрушающих методах применяются гидравлические и механические пресса, разрывные машины и другое оборудование. Скорость приложения нагрузки должна быть не более 10 кг/с. В зависимости от характера нагрузки (сжатие, изгиб, растяжение, кручение и пр.) и вида материалов в соответствии с требованиями нормативных документов испытывают образцы определенных форм и размеров, проводят необходимую подготовку к испытаниям, создают определенные условия твердения, набора прочности и проведения испытаний.

Ряд неразрушающих методов (ударные молотки, маятниковые приборы, радиометрические и ультразвуковые методы) связан с оценкой пластических деформаций в испытуемом материале как после ударных воздействий, так и при определении скорости распространения ультразвукового импульса и интенсивности его затухания.

Прочность материала определяется, главным образом, его структурой. Такие материалы как гранит и бетон сравнительно хорошо сопротивляются сжатию, но намного хуже изгибу и растяжению. Материалы из древесины и металла хорошо сопротивляются прочности при сжатии, изгибу и растяжению. Вместе с тем структура древесины определяет ее анизотропность, в результате значения пределы прочности вдоль и в поперек волокон существенно отличаются.

Твердость - свойство материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела. Твердость ряда строительных материалов (металл, бетон, древесина, строительный раствор) определяют вдавливанием в них закаленного стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. В результате испытания вычисляют число твердости, равное отношению силы вдавливания к площади поверхности с другими видами прочности, она зависит отпечатка. Твердость минералов и однородных горных пород оценивают по шкале Мооса, содержащей десять минералов, из которых каждый последующий оставляет царапину на всех предыдущих. Минералы шкалы расположены в порядке возрастания твердости: от 1 (для талька) до 10 (алмаз). Прочность по твердости самая высокая по сравнению от химического состава, состояния поверхности, энергии кристаллической решетки. Однако высокая прочность не всегда говорит о высокой твердости материала: мрамор прочен, но сравнительно не тверд, пластмассы прочны, но не тверды, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а по твердости намного уступает ему и т.д. Чем выше твердость, тем ниже истираемость материала.

Истираемость - свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Истираемость вычисляет по формуле:

И=(m₁-m₂)/S, г/см² 15

где: m₁-m₂ – масса образца до и после истирания, г; S - площадь истирания, см².