Прочность строительных материалов

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

Прочность строительных материалов, как правило, оценивают временным сопротивлением или пределом прочности (R), определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природные камни, кирпич, бетон и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии (R_СЖ) и предел прочности при изгибе (R_ИЗГ), а для эластичных материалов(полимеры, древесина, металл) – предел прочности при растяжении (R_Р).

Численно предел прочности равен напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение образца материала.

Предел прочности при сжатии (предел прочности при растяжении ) равен разрушающей силе, приходящейся на 1 м² первоначального сечения материала в момент разрушения образца:

, (18)

где и - соответственно предел прочности при сжатии и растяжении, МПа;

и - разрушающее усилие при сжатии и растяжении, Н;

- площадь поперечного сечения испытываемого образца, м².

Предел прочности естественных или искусственных каменных материалов определяют путем испытания образцов материала стандартных формы и размеров. Поскольку материалы неоднородны по своей структуре, предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов, не менее трех. Форма стандартных образцов при определении предела прочности при сжатии () - куб, цилиндр, призма; при растяжении () – стержень, "восьмерка", призма.

Предел прочности при изгибе (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде призм (балочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения:

, (19)

где - предел прочности при изгибе, МПа;

- наибольший изгибающий момент, Н;

- момент сопротивления сечения образца, м².

Предел прочности при изгибе вычисляют по формулам:

а) при одной сосредоточенной нагрузке

, (20)

б) при двух равных нагрузках, рассредоточенных симметрично оси балки

, (21)

где F - разрушающая нагрузка, Н;

- расстояние между опорами, м;

и - ширина и высота поперечного сечения балки, м.

Коэффициент конструктивного качества материала -равен отношению показателя прочности, МПа, к относительной плотности d:

. (22)

Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой плотности.

Коэффициент размягчения -отношение прочности материала, насыщенного водой , к прочности сухого материала :

. (23)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Хрупкость – свойство твердых тел разрушаться при механических воздействиях без значительной пластической деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам, условно характеризуется "мерой хрупкости" , которая выражается отношением упругой деформации к предельной :

. (24)

На хрупкое состояние материала влияют в основном два внешних фактора: температурный и механический. Многие материалы при понижении температуры резко снижают свои пластические свойства, например битумные материалы (нефтяные битумы при температуре ниже 20 ^оС теряют пластичность и разрушаются хрупко), полимеры, металлы и др.

Эластичность(гибкость, тягучесть) – способность материала или изделия испытывать значительные упругие (обратимые) деформации без разрушения при сравнительно небольших усилиях (каучуки, резина, некоторые полимеры – эластомеры).

Упругие деформации эластомеров достигают 100% и более.

Твердость – свойство материала сопротивляться упругой и пластической деформации при вдавливании в него стандартного тела (более твердого) в условиях неравномерного сжатия.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого боле твердого тела.

Твердость– структурная характеристика материала и не всегда зависит от прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.

Твердость древесины, бетона, металлов и сплавов определяют, вдавливая в образцы стальной шарик. О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика или по диаметру полученного отпечатка. Твердость природных материалов определяют по шкале твердости (метод Мооса), в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину), на предыдущем, а сам не прочерчивается.

1) Тальк (Mg₃[Si₄O₁₀]·[OH]₂) - легко чертится ногтем

2) Гипс (CaSO₄·2H₂O) - чертится ногтем

3) Кальцит (CaCO₃) - легко чертится стальным ножом

4) Плавиковый шпат (CaF₂) - чертится стальным ножом под

небольшим нажимом

5) Апатит (Ca₅[PO₄]₃F - чертится стальным ножом под

большим нажимом

 

6) Полевой шпат (ортоклаз)

(K[AlSi₃O₈]) - слегка царапает стекло

7) Кварц (SiO₂) - легко чертит стекло

8) Топаз (Al₂[Si₄O]·[F, OH]₂)

9) Корунд (Al₂J₃)

10) Алмаз (C)

Кварц, топаз, корунд, алмаз – применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.

От твердости материалов зависит их истираемость.

Истираемость – свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

От сопротивления истираемости материалов зависит возможность их применения для устройства полов, ступеней, лестниц, тротуаров и дорог.

При эксплуатации, например, материалы верхнего слоя покрытия в полах и на дорогах воспринимают, кроме истирающих воздействий, ударные воздействия.

Сопротивление удару материалов оценивают пределом прочности при ударе.

Предел прочности при ударе, Дж/м³, характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенного к единице объема материала.

Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Износ – разрушение материала при совместном действии истирания и удара.

На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах со стальными шарами или без них.

 

Долговечность и надежность

5.1 Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с не обходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долговечность строительных изделий измеряют сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: 1-ая - не менее 100 лет, 2-ая – не менее 50 лет, 3-я - не менее 20 лет. Долговечность определяется совокупностью физических, механических и химических свойств материала. Ее нужно оценивать применительно к конкретным условиям эксплуатации. О долговечности судят, подвергая материалы испытаниям, которые по возможности воспроизводят воздействия в натуре. Моделирование воздействий среды в условиях лабораторных испытаний достаточно сложная задача. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями.

5.2 Надежность – проявление всех свойств материалов в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.

Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданной технической характеристики в результате предупреждения, выявления и устранения отказов.

Сохраняемость - свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость оценивают количественно временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.