Строительные материалы и изделия

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства характеризуют способность материала со­противляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения сжатия, растяжения или сдвига. Основные механические свойства строительных

материалов: прочность,

твердость, износостой­кость, деформативность (упругость, пластичность).

Прочность ГГ - .СВОЙСТВО материала в определенных условиях и пределах восп­ринимать нагрузки или другие воздействия, вызы­вающие в нем внутренние напряжения, без разруше - пия.

Частицы, из которых состоит твердый материал,

удерживаются в равнове-

сии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу мате­риала приложить внешнюю силу F например растягивающую (рис. 2.2), то ее действие равномерно распределится на все частицы матери­ала: материал окажется в напряженном состоянии. Напряжение вызовет изменение расстояний между частицами — материал начнет деформи­роваться (в нашем случае — растягиваться).

Для определения значения напряжений о (МПа), т. е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения матери­ала, возникающих в материале при приложении к нему внешней силы Р(кН), мысленно делают поперечный разрез образца — Чтобы эбразовавшиеся половинки образца (I и остались в равновесии, і нет ней силе /должна противодействовать равная ей внутренняя сила оД, где А (м2) — площадь поперечного сечения образца материала, откуда

а = F/A.

Для твердых и упругих тел с увеличением напряжений ст пропор ционально возрастают его относительные деформации є

а * Ее,

где Е — модуль упругости, МПа, характеризующий жесткость матери­ала.

| Чем выше модуль упругости, тем меньше материал деформируется, j Так, модуль упругости каучука 10...20 МПа, а стали — 200 ООО МПа, I это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 000 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.

Р и с. 2.3. Схема нагружения образца при определении пределов Щ

прочности материала на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) і'Л

Л ' и срез (г)

При увеличении действующей силы напряжения в материале воз­растают и могут превысить силу сцепления частиц — материал разру­шится.

На практике разрушение материала начинается значительно рань­ше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

Прочность материала характеризуется значением предела проч­ности R — напряжением в испытуемом образце материала в момент

его разрушения.

В зависимости от характера приложения нагрузки и вида возни­кающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2.3).

Предел прочности материала определяют на образцах, форму

и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 мм.

Предел прочности бетона при сжатии Дж обычно 10...50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150 х 150 х 150 мм с Дж = =10 МПа, надо приложить усилие F— = 10(0,15 х 0,15) = 225 кН (22,5 т). Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на обра­зец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов, развивающих усилие до 103 кН (100 т) и более (рис. 2.4).

Для испытания на прочность образец устанавливают на нижнюю плиту 3пресса, зажимают верхней плитой и включают масляный 22
насос 8.За повышением давления масла наблюдают по манометру 7, фиксируя давление, при котором начинается разрушение материала. Разрушающее усилие Fpa3p равно произведению значений зафиксиро­ванного давления и площади поршня пресса. Предел прочности при сжатии

■ разр,

где А — площадь поперечного сечения образца, м2.

Аналогично определяют пределы прочности при растяжении, из­гибе, скалывании. Однако расчетные формулы при изгибе и скалыва - нии имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться.

У природных и искусственных каменных материалов прочность при сжатии в 5...15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе выше прочности при сжатии (в 1,5...2 раза).

Прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочно­сти бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Водостойкость. Увлажнение многих материалов снижает их проч­ность. Степень понижения прочности материала, насыщенного водой, ха - рактеризуется коэффициентом размяг­чения

8цж/ К ■ •

где Rnx — прочность материала в на­

сыщенном водой состоянии, МПа;

Лсух — то же, в сухом состоянии, МПа.

Значение Кр для разных материа­лов колеблется от 0 (необожженная глина) до 1 (стекло, сталь, битум).

взять два шарика — резиновый и гли­няный — и начать их сжимать, то они оба под действием приложенной силы деформируются. Как только прекра­щается действие силы, резиновый ша­рик восстанавливает свою форму, а глиняный останется деформирован­ным.

Материалы, ведущие себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавли­
вающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости F, рассмотренный ранее.

Материалы, ведущие себя подобно глине, т. е. сохраняющие де­формации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответ­ственно обратимые деформации называются упругими деформациями, а необратимые — пластическими.

К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным — битумы (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворимые смеси до затвердевания.

Твердость — способность материалов сопротивляться проникнове­нию в них других материалов. Твердость — величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому. Самый простой метод определения твердости — по шкале твердости. В эту шкалу входят 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минера­лами.

Обычно твердость определяют на специальных приборах. Так, для оценки твердости металлов и других твердых, материалов применяют методы Бринелля или Роквелла, основанные на вдавливании под определенной нагрузкой в испытуемый образец шарика из закаленной стали или алмазного конуса. По диаметру отпечатка рассчитывают число твердости НВ (по Бринеллю) или HR (по Роквеллу).

Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости. Так, древесина по прочности при сжатии равна бетону, а при изгибе и растяжении во много раз превосходит его, но значительно уступает бетону в твердости.

Износостойкость — способность материала противостоять воздей - ствию на него сил трения и ударных воздействий от движущихся предметов. Определяют ее на специальных приборах, снабженных абразивными насадками и моделирующих реальный процесс изнаши­вания. Износостойкость — важное свойство материалов, используемых для покрытий полов, дорог и т. п.