Физико-механические свойства строительных материалов

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям.

Материал в сооружении подвергается тем или иным нагрузкам и воздействиям, которые вызывают напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб, кручение, сдвиг, скалывание и др).

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению от внутренних напряжений, вызванных действием внешних нагрузок и иных факторов.

Характеристикой прочности является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает материал без разрушения. Предел прочности является весьма условной величиной, зависящей от размера образца, его формы, скорости нагружения, а также конструкции прибора, на котором проводятся испытания. Предел прочности материала, установленный в ходе стандартного испытания, не является величиной, которую принимают в расчет конструкций.

Предел прочности при сжатии определяется на образцах правильной геометрической формы: кубы, призмы, цилиндры. Разрушающая нагрузка, как правило, определяется на гидравлическом прессе:

Прочность различных материалов на сжатие варьируется в широких пределах от 0,5 МПа до 1000 МПа и выше. У некоторых материалов прочность на сжатие характеризует их марки или классы, т.е. качество.

Схематичный вид образца до и после проведения испытания на сжатие показан на рис. 1.15, а внешний вид гидравлического пресса, применяемого для определения прочностных характеристик материала, на рис. 1.16.

а	б

Рис. 1.15. Внешний вид образца:

а) до испытания; б) после испытания

Рис. 1.16. Общий вид гидравлического пресса для проведения испытаний по определению прочностных характеристик строительных материалов

Предел прочности на растяжение определяется на образцах стержнях, призмах или «восьмерках», которые имеют переменное сечение. Разрушающая нагрузка определяется на разрывных машинах:

Возможно также определение прочности на растяжение методом раскалывания на кубах или цилиндрах.

Предел прочности на изгиб определяется на образцах призмах. При трёхточечном изгибе предел прочности вычисляют по формуле:

где: Р_разр – разрушающаяся нагрузка, кН;

l – расстояние между опорами, см;

b – ширина поперечного сечения образца, см;

h – высота поперечного сечения образца, см.

В последнее время широкое распространение получили различные неразрушающие методы испытания строительных материалов на прочность. Для проведения таких испытаний может применяться, например, такой прибор, как молоток Шмидта, общий вид которого показан на рисунке 1.17.

Рис. 1.17. Молоток Шмидта (общий вид)

Для конструкционных материалов, как правило, устанавливаются марки (кгс/см²) либо классы (МПа) по прочности.

· Классы бетона по прочности на сжатие: В3,5, В5, В7,5, В10, В12,5, В15, В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В 55, В60, В70, В80, В90, В100, В110, В120;

· Марки кирпича по прочности на сжатие: М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300;

· Марки цемента: 300, 400, 500, 550, 600;

· Классы цемента: 32,5; 42,5; 52,5;

· Классы стали: С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375.

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) – отношение предела прочности материала к его относительной плотности.

Так, например, для бетона класса В50:

а для древесины:

Удельную прочность целесообразно применять только для оценки эффективности однотипных материалов (т.е. сравнивать бетон с бетоном, древесину с древесиной и т.д.).

При приложении внешних сил материал деформируется. Деформации могут быть обратимыми и необратимыми, в свою очередь обратимые деформации могут быть упругими и эластичными. Характер и величина деформаций зависит от величины нагрузки, скорости нагружения и температуры материала.

Деформативность – свойство материала изменять форму и размеры под нагрузкой.

Оценивается относительной линейной деформацией:

Упругость – свойства материала при воздействии нагрузки изменять свои размеры и форму и полностью восстанавливать их после снятия нагрузки. Упругая деформация обратима.

Закон Гука:

Е – модуль упругости, МПа, важнейшая деформационная характеристика материалов.

Пластичность – способность материала деформироваться под действием нагрузки не разрушаясь и сохранять остаточную деформацию после её снятия. Пластическая деформация необратима.

Хрупкость – свойство материала разрушаться без заметных пластических деформаций. К материалам, имеющим хрупкий характер разрушения, относят, напримео, стекло.

Под действием окружающей среды, при изменении влажности материала могут возникать деформации усадки. Они могут быть вызваны уменьшением влажности (усушки) материала или контракцией, карбонизацией в цементных системах.

Усадка (мм/м) – уменьшение размеров материала в течение времени, чаще всего, при уменьшении влажности.

Ползучесть (мм/м) – увеличение деформации материала под действием постоянной статической нагрузки в течение времени.

Деформации усадки и ползучести присущи растворам, бетонам и др. В течение времени они снижаются и затухают в реальных условиях работы конструкций.

Ударная вязкость – свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Ударная вязкость определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения (Дж/см²).

Рис. 1.18. Маятниковый копер для определения ударной вязкости строительных материалов

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.

Твердость строительных материалов может оцениваться по разным шкалам. Так, например, твердость минералов оценивается по шкале Мооса, в которой 10 эталонных минералов расположены в порядке возрастания твердости.

Твердость строительных материалов оценивают, в основном, по Бринеллю. В качестве индентора используется стальной шарик, а твердость по Бринеллю определяют по формуле:

где: P – нагрузка, с которой вдавливается стальной шарик в образец материала, Н;

D – диаметр стального шарика, м;

d – диаметр отпечатка, м.

Рис. 1.19. Твердомер для определения твердости по Бринеллю

Твердость металлов может также определяться по Роквеллу (в условных единицах), либо по Виккерсу (в МПа), твердость полимерных строительных материалов определяют по Шору (в условных единицах).

Рис. 1.20. Методы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу, в – по Виккерсу

Истираемость – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Общий вид лабораторного круга истирания (ЛКИ) показан на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Общий вид лабораторного круга истирания (круга ЛКИ)

Истираемость вычисляют по формуле:

где: m ₁ – масса образца до испытания, г;

m ₂ – масса образца после испытания на истирание, г;

F – площадь истирания, см².

Износостойкость – свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и удара.

Износостойкость вычисляют по формуле:

где: m ₁ – масса образца до испытания, г;

m ₂ – масса образца после испытания, г.