Пределы прочности некоторых материалов, МПа

Материал	сжатие	изгиб	растяжение
Гранит	150 … 250	-	3 … 5
Тяжелый бетон	10 … 50	2 … 8	1 … 4
Керамический кирпич	7,5 … 30	1,8 … 4,4	-
Сталь	210 … 600	-	380 … 900
Древесина	30 … 65	70 … 120	55 … 150
Стеклопластик	90 … 150	130 … 250	60 … 120

 

Прочность материалов, применяемых в строительной промышленности, обычно характеризуют маркой, которая соответствует по величине пределу прочности при сжатии, полученному при испытании образцов заданной формы и размеров. Например, для каменных материалов установлены следующие марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 800, 1000. Материалы с пределом прочности при сжатии, например, от 20 до 29,9 МПа относят к марке 200.

Упругость - свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал ее обладает упругостью, называется пределом упругости. Упругость является в подавляющем большинстве случаев положительным свойством материалов.

Пластичность - способность материала изменять под действием нагрузки форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости.

Хрупкость - свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без предварительной деформации. Хрупкими являются природные камни, керамические материалы, стекло, чугун, бетон и др.

Сопротивление удару - свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок. Этого вида нагрузки возникают, например, в бункерах. Хрупкие материалы обычно плохо сопротивляются ударным нагрузкам.

Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого материала, более твердого. Твердость материала влияет на трудоемкость его обработки.

Существует несколько способов определения твердости материалов. Твердость древесины, бетона, стали определяют, вдавливая в образцы стальной шарик (метод определения твердости по Бринелю), алмазную пирамиду (по Виккерсу) или то и другое (по Роквеллу). О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика, диаметру полученного отпечатка или по величине отношения нагрузки к площади поверхности полученного сферического отпечатка.

Твердость природных каменных 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 им не прочерчивается: 1 - Тальк или мел; 2 - Каменная соль или гипс; 3 - Кальцит или ангидрид; 4 - Плавиковый шпат; 5 – Апатит; 6 - Ортоклаз (полевой шпат); 7 – Кварц; 8 – Топаз; 9 – Корунд; 10 - Алмаз.

Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам оставляет черту (царапину) на плавиковом шпате, то его твердость составляет 4,5.

Истираемость - свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. От истираемости зависит возможность применения материала для устройства настилов, футеровки бункеров, исполнительных органов погрузочных машин. Истираемость материалов определяют в лабораториях на специальных машинах - кругах истирания.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Подобное воздействие на материал происходит при эксплуатации бункеров. На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала к химическим превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в соприкосновении. Химические свойства материалов весьма разнообразны, основные из них - химическая и коррозионная стойкость.

Химическая стойкость - способность материалов противостоять разрушающему влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов.

Коррозионная стойкость - свойство материалов сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Многие материалы, применяемые в строительной промышленности, не обладают этими свойствами. Так, почти все цементы плохо сопротивляются действию кислот, древесина не стойка к воздействию, как кислот, так и щелочей, практически все изделия из металлов подвержены в той или иной степени воздействию коррозии. Лучше сопротивляются воздействию кислот и щелочей материалы из пластмасс или стекловолокна.

Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под влиянием климатических условий - атмосферных агентов (температуры воздуха, осадков, солнечной радиации, различных газов, в том числе от промышленных предприятий, микроорганизмов и др.) и не изменять своего состава и свойств.

Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого, измеряемое прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Это свойство наблюдается в бетоне и железобетоне, в которых силы адгезии проявляются в сцеплении цементного камня с поверхностью каменных материалов (песка, гравия, щебня) и арматуры.

Когезия - свойство материала быть прочным вследствие сил внутреннего сцепления. Такое свойство легко проследить в бетоне и железобетоне, в котором силы когезии проявляются в сцеплении частиц веществ, слагающих цементный камень, зерна песка, гравия, щебня и металла арматуры. В итоге получается искусственный конгломерат материалов, каждый из которых имеет свои специфические свойства.

Адгезия и когезия могут косвенно оцениваться, например, по прочности раствора или бетона.

Твердение. В результате физико-химических процессов некоторые материалы приобретают ряд новых свойств - сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды и др. В зависимости от условий и состава исходных материалов, участвующих в твердении, образующиеся материалы будут обладать разной прочностью и стойкостью при воздействии внешних нагрузок и агрессивных сред. Для комплекса технических свойств материалов, получаемых, например, после твердения цементов, особое значение имеет состояние цемента и условия производства бетонных работ на всех технологических переделах. Поэтому в группе химических свойств оно особо выделяется и как строительное свойство, имеющее решающее значение при производстве работ. Твердение, как и любые другие свойства, имеет количественные показатели. Практика работ и многочисленные исследования показывают, что качество затвердевших материалов может оцениваться показателями других свойств (прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости, атмосферостойкости, водонепроницаемости и др.).

Старени е - свойство материала в результате протекания физико-химических процессов переходить из одного состояния в другое, теряя при этом способность сопротивляться нагрузкам и агрессивной внешней среде.

Контракция (стяжка) - свойство материала сжиматься при твердении. Вследствие этого абсолютный объем затвердевшего цементного камня из цемента и воды, участвующих в твердении, становится меньше суммы их исходных абсолютных объемов, что создает внутренний вакуум в материале.

Выделение и поглощение тепла – свойство материала, проявляющееся при протекании химических реакций. Например, поглощением тепла (эндотермический процесс) сопровождается получение вяжущих, а выделением тепла (экзотермический процесс) - их твердение. Наличие экзотермического процесса при твердении цемента в бетоне значительно облегчает производство зимних работ. В то же время при бетонировании массивных сооружений, например опор мостов, фундаментов, блоков гидростанций, плотин, домов, шлюзов, выделение тепла приводит к образованию трещин в бетоне.

Стойкость против гниения - свойство древесины не подвергаться разрушению под действием физических, химических и биологических факторов. Стойкость против гниения надо рассматривать в связи с действиями причин, которые могут его вызвать. В зависимости от химического и анатомического строения древесина имеет различную стойкость. Для одной и той же породы это свойство повышается с возрастом древесины и ее положением в стволе (ее составом).

Горючесть - свойство ряда материалов сгорать, т. е. принимать участие в быстропротекающей химической реакции, сопровождающейся выделением тепла и света.

Токсичность – свойство некоторых материалов вызывать отравление и заболевание. Ряд строительных материалов при несоблюдении техники безопасности может содействовать отравлению человека.

Технологические свойства

Данная группа является производной от первых трех (химической, физической и механической.) и выражает способность материала к восприятию технологических операций, выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и др.

Свариваемост ь - свойство некоторых материалов, нагретых до расплавления или до пластического (размягченного) состояния, после остывания прочно и монолитно соединяться с аналогичными им материалами, разогреваемыми до такого же состояния. При пластической сварке для образования сварного соединения требуется вызвать пластическое деформирование соединяемых частей путем механического усилия. Это свойство материалов (металла, пластмасс) широко используют во всех областях техники и в строительстве.

Ковкость - свойства металлов в нагретом состоянии деформироваться под влиянием ударов. Ковкость позволяет получать из образцов нагретого металла поковки, необходимые для различных целей.

Гвоздимость - свойство древесины и некоторых других материалов удерживать введенные в них различными способами металлические изделия (гвозди, шурупы, костыли, скобы и т. п.).

Дробимость - свойство природных и искусственных каменных материалов (горных пород, кирпича, клинкера и др.) при ударе делиться на части различных размеров и формы. Путем дробления большие камни превращают в щебень и искусственный песок с разнообразной формой зерен. Различие в текстуре и структуре каменных материалов сказывается на их дробимости.

Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению твердых тел и свойство твердых тел поглощать механическую энергию, прилагаемую для их деформирования. Это свойство имеет очень большое значение для строительства и различных технологических переделов в технике. Так, в технологии изготовления бетонов (растворов) и битумоминеральных смесей необходимо тщательное перемешивание вяжущих с каменными материалами. В этом случае вязкость цементного теста и органических вяжущих препятствует перемешиванию различных материалов для получения однородной смеси.

Спекаемость - уплотняемость черепка без изменения формы - свойство некоторых минеральных материалов по мере наплавления, за счет частичного плавления наиболее легкоплавких компонентов, в определенных температурных интервалах частично размягчаться и уплотняться, а при охлаждении приобретать новые свойства и в том числе высокую прочность.

Плавление - свойство полиминеральных материалов по мере их нагревания размягчаться, приобретая текучесть. Для каждого материала это свойство характеризуется интервалом температуры плавления.

Усадка - свойство материалов изменять наружные размеры за счет протекания в них физико-химических процессов, например при изменении влажности

Скорость высыхания - свойство лакокрасочных материалов переходить из жидкого твердое состояние, приобретая прочность и эластичность.

Слеживаемость - свойство рыхлых минеральных смесей, например, порошков (дисперсных минеральных материалов), сорбировать на себя водяные пары и образовывать комья (флокулы) различного размера. Если зерна порошка вступают в химическую реакцию с водой (происходит коррозия), последующая активность таких порошков систематически уменьшается.

Формуемость - свойство материалов и смесей, составленных из различных материалов, приобретать заданную форму при минимальной затрате сил и средств. Формуемость смесей, в конечном счете, определяет плотность монолитных материалов и влияет на их прочность, проницаемость, истираемость, стойкость в различных агрессивных внешних средах.

По мере развития научных исследований в различных областях совершенствуются знания в области технологии материалов, в том числе в методике изучения их свойств. Совершенствование строительства невозможно без постоянной и прямой связи с различными областями естественных наук. Одним из примеров такой связи и значительного расширения представлений о свойствах строительных материалов может быть широкое внедрение в исследование материалов электрономикроскопии, рентгеноскопии, электроники и др. В результате постепенного совершенствования методов исследования материалов более четко выявляются взаимные связи между различными свойствами и направления совершенствования технологии, способствующие улучшению ряда свойств (например, технологии получения высоких марок цемента - выше марки 800, технологии получения битумов с высокой деформативностью в значительных пределах положительных и отрицательных температур, технология изготовления особо стойких гидроизоляционных материалов из пластических масс и т. д.).

Образец лекции (2)

Введение

Строительные материалы и изделия имеют весьма большое значение в народном хозяйстве. В настоящее время все работы по строительству связаны с применением этих материалов.

В нашей стране производство различных строительных материалов возникло в глубокой древности. Многие столетия назад наши предки уже изготовляли такие строительные материалы, как кирпич, воздушную и гидравлическую известь.

Заметный рост производства строительных материалов и изделий в России начинается в России с 60-х годов прошлого столетия.

И только после революции эта отрасль получила наиболее широкое развитие.

Рассмотрим основные виды строительных материалов.

1. Строительные металлы.

2. Природные каменные материалы (гранит, мрамор).

3. Керамические материалы (кирпич, плиты и т.д.).

4. Вяжущие материалы (цементы, известь, гипс).

5. Тестоны.

6. Лесные материалы.

7. Органические (битумы, дегти).

8. Пластмассы.

 

Каждый вид материала применяется для определения условия. Эти условия характеризируются свойствами.

Рассмотрим основные свойства строительных материалов.

Плотность

Удельным весом называется вес материала в единице объема (гамма) [г/см³], где G – вес сухого материала, V _а – абсолютный объем V _а, занимаемый материалом (без пор).

Удельный вес:

- каменных материалов 2,2 ÷ 3,3 г/см³;

- органических материалов (дерево, битум, дегти, лаки) от 0,9 до 1,6;

- металлов от 7,25 до 7,85 г/см.

Объемный вес

Объемным весом называется вес единицы объема материала в естественном состоянии.

Объемный вес строительных материалов

Объемный вес строительных материалов колеблется от 20 кг/м³ до 7850 кг/м³.

Плотность

Плотностью материала называется степень заполнения его объема вредным веществом.

, где γ _о – объемный вес, γ – удельный вес.

Плотность может быть выражена в % .

Почти у всех строительных материалов «П» менее 100%.

Пористость

Пористостью называется отношение объема пор к общему объему материала:

По величине воздушных пор материалы разделяются на мелкопористые и крупнопористые.

Пористость строительных материалов колеблется в очень широких пределах начиная от 0(сталь, стекло) до % (плиты из минераловатной ваты).

Водопоглащение

Водопоглащением называется способность материала впитывать и удерживать воду.

,

где В _вес – весовое водопоглащение;

G ₁ – вес материала в сухом состоянии;

G ₂ – вес материала в насыщенном состоянии.

,

где В _об – объемное водопоглащение;

В _об / В _вес = объемная масса.

Объемное водопоглащение, численно равно объему пор, доступных для воды, называется видимой пористостью.

Водопоглащение различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах.

Кирпича составляет от 8 до 20%.

Керамической плитки – не выше 2%.

Тяжелого бетона около 3%.

Гранита – 0,5-0,7%.

Гидроизоляция материала – металлоизола 0,1%.

Влагоотдача

Влагоотдачей называется свойство материала отдавать воду при наличии условий в определяющей среде.

Влажность материалов, т.е. весовое содержание воды в материале строительных конструкций значительно ниже, чем их полное водопоглащение. Вследствие влагоотдачи через некоторое время после постройки устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и воздуха.

Это состояние равновесия называется воздушно-сухим состоянием.

Водопроницаемость

Способность материала пропускать воду под давлением.

Морозоустойчивость

Называют способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности.

Лед, образующийся в порах материала, начинает давить на стенки пор и может их разрушить.

Теплопроводность

Теплопроводностью называется способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на поверхности:

, кКал

где α – толщина (м);

λ – коэффициент теплопроводности;

Z – время, час

λ = 1,163

Коэффициент теплопроводности равен количеству тепла в килокалориях, проходящего через стену толщиной 1 м, площадью 1 м² за 1 час.

Теплоемкость

Теплоемкостью называется свойство материала поглощать при нагревании определенное количество тепла.

, кКал

где с – коэффициент теплоемкости

Коэффициент теплоемкости представляет собой количество тепла в килокалориях, необходимое для нагревания 1 кг данного материала на 1 градус.

Природные и искусственные каменные материалы имеют коэффициент теплоемкости в пределах от 0,18 до 0,22.

Лесные материалы от 0,57 до 0,65.

Огнестойкость

Огнестойкостью называется способность материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур и воды.

По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые, и сгораемые.

Огнеупорность

Огнеупорностью называется свойство материала противостоять, не деформируясь, длительному воздействию тепла высоких температур.

Химическая стойкость

Химическая стойкость – способность материалов сопротивляться действию кислот, щелочей и т.д.

Прочность

Прочностью называется свойство материалов сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки или других факторов.

 

М – изгибающий момент кг-см

W – момент сопротивления поперечного сечения балки (для прямоугольника W =

В строительных материалах, работающих в сооружениях, можно допустить напряжение, составляющее только часть предела прочности σ_пч.изг.

Z = 2 – 3

Твердость.

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего более твердого тела.

Твердость определяется по шкале твердости Бринелли.

НБ =

h – глубина

d – диаметр

Истираемость.

Способность материала уменьшится в весе под действием истирающих усилий.

Сопротивление удару.

Способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Упругость.

Свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму.

Пластичность и хрупкость.