Механические свойства. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т. д., твердость, пластичность, упругость, истираемость.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Изучением этого свойства материалов занимается специальная наука — сопротивление материалов. Ниже излагаются общие понятия о прочности материалов, необходимые для изучения основных свойств строительных материалов.

Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки. Наиболее характерными для строительных конструкций являются сжатие, растяжение, изгиб и удар. Каменные материалы (гранит, бетон) хорошо сопротивляются сжатию и намного хуже (в 5...50 раз) — растяжению, изгибу, удару, поэтому каменные материалы используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Такие материалы, как металл и древесина, хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют в конструкциях, испытывающих эти нагрузки.

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности (Па). называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала

Предел прочности при сжатии различных материалов 0, 5... 1000 МПа и более. Прочность на сжатие определяют испытанием образцов на механических или гидравлических прессах (1.5). Для этой цели применяют специально изготовленные образцы, формы куба со стороной 2...30 см. Из более однородных материалов образцы делают меньших размеров, а из менее однородных — больших размеров. Иногда на сжатие испытывают образцы, имеющие форму цилиндров или призм. При испытании на растяжение металлов применяют образцы в виде круглых стержней или полос; при испытании на растяжение вяжущих веществ используют образцы в виде восьмерок.

Для определения предела прочности образцы изготовляют в соответствии с указаниями ГОСТов. Размеры и форму образцов строго выдерживают, так как они существенно влияют на результат испытания. Так, призмы и цилиндры меньше сопротивляются сжатию, чем кубы того же поперечного сечения; наоборот, низкие призмы (высота меньше стороны) больше сопротивляются сжатию, чем кубы. Это объясняется тем, что при сжатии образца плиты пресса плотно прижимаются к опорным плоскостям его и возникающие силы трения удерживают от расширения прилегающие поверхности образца, а боковые центральные части образца испытывают поперечное расширение, которое удерживается только силами сцепления между частицами. Поэтому чем дальше находится сечение образца от плит пресса, тем легче происходит разрушение в этом сечении и образца в целом. По этой же причине при испытании хрупких материалов (камня, бетона, кирпича и т. п.) образуется характерная форма разрушения — образец превращается в две усеченные пирамиды, сложенные вершинами (1.6).

На прочность материала оказывают влияние не только форма и размер образца, но и характер его поверхности и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых результатов нужно придерживаться стандартных методов испытания, установленных для данного материала. В табл. 1.4 приведены характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов.

Прочность зависит также от структуры материала, его плотности (пористости), влажности, направления приложения нагрузки. На изгиб испытывают образцы в виде балочек, расположенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами, увеличиваемыми до тех пор, пока балочки не разрушатся.

В материалах конструкций допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочности, таким образом создается запас прочности. При установлении величины запаса прочности учитывают неоднородность материала — чем менее однороден материал, тем выше должен быть запас прочности.

При установлении коэффициента запаса прочности важными являются агрессивность эксплуатационной среды и характер приложения нагрузки. Агрессивная среда и знакопеременные нагрузки, вызывающие усталость материала, требуют более высокого коэффициента запаса прочности. Запас прочности, обеспечивающий сохранность и долговечность конструкций зданий и сооружений, устанавливают нормами проектирования и определяют видом и качеством материала, условиями работы и классом здания по долговечности, а также специальными технико-экономическими расчетами.

За последние годы в практику строительства внедряются новые методы контроля прочности, позволяющие испытывать без разрушения образцы или отдельные элементы конструкций. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении на заводах и строительных объектах, а также после установки их в зданиях и сооружениях.

Известны акустические методы, из которых наибольшее распространение получили импульсный и резонансный. Указанным методам присуще общее основное положение, а именно: физические свойства материала или изделия оцениваются по косвенным показателям — скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частотой собственных колебаний материала и характеристикой их затухания. • Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.

Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металлов и пластмасс определяют вдавливанием стального шарика. От твердости материалов зависит их истираемость. Это свойство материала важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий.

Шкала твердости Мооса

1. Тальк или мел Легко чертится ногтем

2. Гипс или каменная соль Чертится ногтем

3. Кальцит или ангидрит Легко чертится стальным ножом

4. Плавиковый шпат Чертится стальным ножом под небольшим нажимом

5. Апатит (сталь) Чертится стальным ножом под большим нажимом

6. Полевой шпат Слегка царапает стекло, стальным

ножом не чертится

7. Кварц Легко чертит стекло, стальным ножом не чертится

8. Топаз

9. Корунд

10. Алмаз

• Истираемость материала характеризуется потерей первоначальной массы, отнесенной к 1 м2 площади истирания. Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней и др.

• ИзносЬм называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергают материалы для дорожных покрытий и балласта железных дорог.

• Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в полах и дорожных покрытиях. Предел прочности материала при ударе (Дж/м3) характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе — копре.

• Деформация — изменение размеров и формы материалов под нагрузкой. Если после снятия нагрузки образец материала восстанавливает свои размеры и форму, то деформацию называют упругой, если же он частично или полностью сохраняет изменение формы после снятия нагрузки, то такую деформацию называют пластической.

• Упругость — свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины (устанавливаемой техническими условиями на данный материал).

Пластичность — свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным материалам относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и т. п. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без значительной деформации. К ним относят каменные материалы. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются только сжатию и плохо — растяжению, изгибу, удару.

2. Красочные составы: водные, масляные краски, лаки, эмали

Красочные составы делят на масляные и эмалевые краски, лаки, краски водоразбавленные и летучесмоляные.

• Масляные краски представляют собой смесь пигментов и наполнителей, перетертых в краскотерках с олифой из растительных масел. Масляные краски выпускают в виде густотертых красок, которые перед употреблением необходимо разводить олифой до малярной консистенции, и красок, готовых к употреблению.

Густотертые красочные составы содержат олифу 12...25 %, а краски, готовые к употреблению, — 30—50 % от массы пигмента. Масляные краски применяют для наружной и внутренней окраски по металлу, дереву, штукатурке и бетону. Полное высыхание масляных красок при температуре 18...23°С должно быть не более чем за 24 ч, время высыхания черной масляной краски составляет около 30 ч. В строительстве применяют следующие основные виды масляных красок: для наружной окраски — белила цинковые, зелень свинцовую и цинковую, краску черную, земляные густотертые краски (мумия, охра), сурик железный и др.; для внутренней окраски — белила цинковые и литопонные, зелень цинковую густотертую, киноварь искусственную светло- и темно-красную, сурик железный и другие цветные масляные краски. Краски масляные на олифах из растительных масел следует применять по просохшей штукатурке и отвердевшему бетону.

• Эмалевые краски представляют собой суспензии минеральных или органических пигментов с синтетическими или масляными лаками. Наиболее употребительными эмалевыми красками являются алкидные, эпоксидные и мочевиноформальдегидные. Эмалевые краски имеют хорошую светоустойчивость, антикоррозийность, быстро высыхают. Эмалевые краски применяют для окраски по металлу, дереву, бетону и штукатурке внутренних и наружных поверхностей.

Алкидные краски — это суспензии тонкодисперсных пигментов в глифталевом, пентафталевом и других алкидных лаках с добавлением растворителей и сиккатива. К алкидным краскам относят глифталевые эмали общего потребления, обладающие пониженной и повышенной водостойкостью, но неустойчивые к действию щелочей, и пентафталевые эмали различных марок, обладающие большей долговечностью и водостойкостью, чем глифталевые. В группу алкидных красок входят также алкид-но-стирольные эмали, обладающие повышенной химической стойкостью и водостойкостью, высокой твердостью и блеском.

Эмалевые эпоксидные краски представляют собой суспензию пигментов в растворах эпоксидной смолы. Они обладают повышенной химической стойкостью и водостойкостью, применяют их в качестве антикоррозийных покрытий по металлу и дереву. Суспензия пигмента в мочевиноформальдегидных смолах образует карбамидные эмалевые краски, обладающие повышенной водостойкостью; применяют их для покрытия встроенного оборудования.

• Лаки представляют собой растворы смол в летучих растворителях. Последний при лакировании поверхности изделий улетучивается, а смола в виде тонкой пленки остается, придаваяповерхности блеск и твердость. Лаки делят на пять групп.

Масляно-смоляные лаки — растворы в органических натуральных растворителях — алкидных или синтетических смолах, модифицированных высыхающими маслами. Применяют их для внутренних и наружных покрытий по дереву и масляным краскам светлых тонов, для разведения эмалей и лаков, получения стойких антикоррозионных покрытий и приготовления шпатлевок и грунтовок.

Безмасляные синтетические лаки — растворы синтетических смол в органических растворителях. Широкое применение в строительстве получили лаки на основе мочевиноформальдегидных смол, используемые для покрытия паркетных и дощатых полов, а также полов из древесностружечных плит. Перхлор-виниловые лаки инденхлорида и перхлорвинила применяют для лакировки масляных покрытий с целью улучшения их антикоррозионных свойств.

Лаки на основе битумов и асфальте — растворы битумов, асфальтов и растительных масел в органических растворителях (бензине или бензоле). Битумные лаки черного или коричневого цвета обладают стойкостью против действия кислот и щелочей. Битумные и асфальтовые лаки применяются для антикоррозионных паро- и гидроизоляционных покрытий, отделки печей, окраски газовых плит и других поверхностей.

Спиртовые лаки и политуры — растворы природных и искусственных смол в спирте. Изготовляют их различных цветов (желтый, зеленый, голубой, коричневый и др.) и применяют для полировки деревянных поверхностей и покрытия изделий из стекла и металла.

Нитроцеллюлозные и этилцеллюлозные лаки — растворы эфироцеллюлозных смол в органических растворителях. Для повышения качества лака в последний добавляют пластификаторы — натуральные, искусственные или синтетические смолы. Нитроцеллюлозный лак бывает желтого и коричневого цвета; применяют его для лакировки изделий из дерева и мебели. Этилцеллюлозный лак бесцветен; используют его для лакировки окрашенных и неокрашенных изделий из дерева. • Водоразбавляемые и летучесмоляиые красочные составы бывают на минеральной основе, полимерцементные, эмульсионные (латексные) и краски и эмали летучесмоляиые.

Красочные составы на минеральной основе представляют собой смесь щелоче- и светостойких пигментов и неорганического связующего вещества с различными добавками, разбавленную водой до состояния малярной консистенции. По виду связующего вещества краски на минеральной основе бывают известковые, силикатные и цементные.

Известковые краски состоят из извести, пигмента, хлористого натрия или хлористого кальция, а также стеарата кальция или кальциевых солей, кислот, льняного масла. Известковые краски применяют для окраски фасадов и внутренних помещений по кирпичным, бетонным и оштукатуренным поверхностям.

Силикатные краски изготовляют из смеси тонкоизмельченного мела, талька, цинковых белил и щелочеустойчивого пигмента е последующим затворением растворов натриевого или калиевого растворимого стекла. Силикатные краски заводского производст- 1 ва выпускают в двухтарной упаковке двух видов: для фасадной и внутренней отделки. Фасадные краски, состоящие из пигмента,, наполнителей и калийного жидкого стекла, применяют для окраски фасадов, а также для окраски внутренних помещений с нормальной и повышенной влажностью; краски для внутренних отделок, состоящие из пигментов и наполнителей, применяют для окраски внутренних помещений по бетону, штукатурке и волокнистым плитам, не содержащим смолы. Силикатные краски значительно экономичнее и долговечнее перхлорвиниловых, известковых и казеиновых. Для защиты металла от коррозии в атмосферных условиях, влажной среде, в умеренных солевых растворах, для отделки закладных деталей в крупнопанельном домостроении применяют протекторные силикатные краски, представляющие собой суспензию цинковой пыли и пигментов в силикатно-силиконовом сополимере.

Цементные краски заводского изготовления при употреблении смешивают с водой. Применяют их для наружной и внутренней окраски помещений с повышенной влажностью, а также при окраске ячеистого бетона и рельефной отделки.

Полимерцементные краски изготовляют на основе цемента, щелоче- и светостойких пигментов с добавками синтетических смол. Полимерцементные краски производят различных цветов для летних и зимних работ. Полимерцементные краски для летних работ выпускают в двухтарной упаковке, при употреблении смешивают с водной дисперсией полимера; применяют для наружной и внутренней отделки зданий, а также для окраски панелей различной поверхности. Полимерцементные краски для зимних работ применяют для наружной отделки фасадов и строительных конструкций.

Эмульсионные (латексные) краски представляют собой пигментированные эмульсии или дисперсии полимера в воде. Из эмульсионных красок в строительстве применяют:

водоэмульсионные акриловые краски, представляющие собой суспензию пигментов и наполнителей в акриловом латексе; в качестве основного кроющего пигмента в акрилатные эмульсионные краски входит диоксид титана. Эти краски могут быть различными '''по цвету и тону, не токсичны, пожаро- и взрывобезопасны, отличаются высокой свето- и атмосферостойкостью, могут применяться в помещениях с высокой солнечной радиацией. Покрытие имеет приятный внешний вид, хорошо очищается, обладает длительным сроком службы; применяют для наружных и внутренних работ по окраске штукатурки, бетона, кирпича, дерева и других пористых материалов, а также по предварительно загрунтованным металлическим поверхностям;

поливинилацетатную — водную эмульсию поливинилацетата с пигментом, пластифицированную дибутилфталатом; производят заводским способом и поставляют в пастообразном состоянии, а до малярной консистенции разводят водой; применяют краску для внутренней и наружной окраски бетона, штукатурки и дерева, а также листовых материалов — линкруста и картона;

стиробутадиеновую краску, состоящую из суспензии (пигмента в латексе СКС-65) с добавкой эмульгатора и загустителя; изготовляют на заводе в виде паст и до малярной консистенции доводят водой; применяют для внутренней и наружной окраски по различным поверхностям;

эмульсионную краску СТЭМ-45; производят на заводе в виде паст и разбавляют до малярной консистенции водой; применяют ее для внутренней окраски штукатурки, бетона, дерева и кирпича по старой масляной краске;

краску эмульсионную СЭМ, представляющую собой суспензию из пигментов и эмульсии, состоящую из глифталевого лака, воды и эмульгаторов с добавлением сиккатива и растворителя; производят разного цвета и перед употреблением эмали разбавляют уайт-спиритом, скипидаром или тяжелым растворителем, получаемым при пиролизе нефти; применяют для внутренней отделки помещений, окраски металлических поверхностей, дерева и штукатурки;

водоразбавляемые глифталевые, эмульсионные краски типа ЭМА и эмульсионные акрилатные краски; производят белого, желтого, оранжевого и других цветов; перед употреблением разбавляют водой. Краски стойки в условиях повышенной влажности, применяют их для наружных и внутренних работ по кирпичу, камню, бетону и штукатурке.

Летучесмоляные краски представляют собой суспензию пигментов в лаках (летучесмоляных составах). Высыхание таких покрытий происходит в результате улетучивания растворителя. При большом количестве связующего в красках покрытия получаются с блеском и имеют хороший розлив. Эти краски называют эмалями. Широкого применения в строительстве они еще не получили; наиболее распространены из них перхлор-виниловые, винилхлоридные летучесмоляные эмали и др.

Перхлорвиниловые эмали представляют собой раствор сухой перхлорвиниловой смолы в смеси с летучими органическими растворителями с добавками пигментов, пластификаторов и других смол, например алкидной. Они отличаются повышенной водо- и химической стойкостью, поэтому их применяют для защиты различных строительных конструкций и деталей от воздействия химически агрессивных сред. Производят их различных марок и цветов, доводят до малярной консистенции камнеуголь-ным сольвентом или специальными растворителями, высыхают они при 18...23°С в течение 2...4 ч.

Винилхлоридные эмали и краски выпускают различных цветов. Они отличаются повышенной маслостойкостью, применяют их для тех же целей, что и перхлорвиниловые.

Эмали эфироцеллюлозные, используемые в строительстве, делят на нитроглифталевые, нитроцеллюлозные и этилцеллюлоз-ные. Нитроглифталевые эмали представляют собой раствор нитроцеллюлозы и глифталевой смолы в органических растворителях с добавкой пластификаторов и пигментов, а нитроцел-люлозные и этилцеллюлозные эмали — суспензию пигментов в нитро- или этилцеллюлозном лаках; они обладают повышенной токсичностью, огнестойкостью и водостойкостью. Применяют их для окраски металлических и деревянных конструкций внутри помещений. Этилцеллюлозные эмали менее огнеопасны нитро-глифталевых и нитроцеллюлозных, готовят их на менее токсичном, растворителе. Применяют для заводской окраски кухонной мебели и встроенного оборудования.