Механические свойства строительных материалов

При эксплуатации конструкций материал может подвергаться различным механическим воздействиям. Наиболее часто конструкции работают на сжатие, изгиб, растяжение, раскалывание, срез и т.д.

В результате механических воздействий образец материала или конструкция деформируется. Деформации бывают:

- упругие – когда образец полностью восстанавливает свои геометрические размеры после снятия нагрузки. Эти деформации принято считать обратимыми.

- пластические – приводящие к необратимому изменению формы образца.

В зависимости от характера связи составляющих атомов материалу присуще преобладание упругих или пластических деформаций.

Материалы с чисто ионной связью или металлической за счет обезличенных электронов или электрических силовых полей перераспределяются по мере смещения атомов относительно друг друга в процессе пластических деформаций.

Материалы, состоящие из веществ с ковалентной связью (атомы связаны общими электронами) практически не обладают способностью к пластическим деформациям и разрушаются сразу по достижении предела упругих деформаций. Такие материалы называют хрупкими.

Во многих материалах присутствуют различные связи и потому такие материалы обладают и пластичностью, и хрупкостью.

Упругость – свойство материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки.

Характеризуется модулем упругости (модуль Юнга), является основной характеристикой строительного материала и связывает упругую деформацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражается законом Гука:

. (18)

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:

, (19)

где Р – действующая сила.

Длительное воздействие механической нагрузки, даже больше, чем та, которую при обычном времени наблюдения, способно вызвать пластические деформации, это сопровождается изменением формы материала – Ползучесть.

Постепенная переориентация связей между атомами в веществе, вызванная частичным переходом упругих деформаций в пластические, приводят к снижению внутренних напряжений. Это явление называется релаксацией. Время или период релаксации выражается количеством секунд, которое необходимо для уменьшения напряжений в е раз.

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

Прочность материала оценивается пределом прочности (временным сопротивлением), определенным при данном виде деформации.

Основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии (Rсж). Так как строительные материалы неоднородны, то Rсж определяют как средний результат испытания серий образцов (не менее 3-х). Предел прочности при сжатии определяют по формуле:

, МПа (20)

На предел прочности оказывают влияние следующие факторы: размеры образца, скорость приложения нагрузки, влажность, средняя плотность.

Рисунок 1 – Схема испытания на сжатие и схема разрушения

Такая форма образца после испытания обусловлена напряжениями, растягивающими образец и силой трения о плиты пресса.

Помимо предела прочности при сжатии используют предел прочности на изгиб, который определяется в зависимости от схемы приложения нагрузки по формулам:

а) б) , (21)

где l – расстояние между опорами,

b – ширина образца,

h – толщина образца.

Предел прочности при растяжении определяется по формуле:

. (22)

Особенно на прочность влияет пористость, а так как пористость большинства материалов изменяется в узких пределах, можно считать, что прочность является функцией плотности. Поэтому у материалов одинакового минералогического состава по величине можно судить о прочности, данную связь используют для оценки эффективности материала в конструкциях, вычисляя так называемый коэффициент конструктивного качества.

, (23)

где - безразмерная величина, относительной плотности (к воде).

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость минералов оценивается шкалой Мооса, представленной 10 минералами: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, корунд, алмаз.

Твердость материалов (бетон, древесина, металлы) определяется вдавливанием стального шарика (пирамиды).

, (24)

где F – площадь поверхности отпечатка.

От твердости зависит истираемость: чем больше твердость, тем ниже истираемость.

Истираемость – оценивают потерей первоначальной массы, отнесенной к площади поверхности истирания, и вычисляют по формуле:

. (25)

Определяют кругом истирания и абразивом. Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней и т.д.

Износ – свойство материала сопротивляться одновременному действию истирания и удара. Определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы в результате испытания в % к первоначальной массе.

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться воздействию кислот, щелочей, растворов солей и газов. Наиболее часто подвергаются воздействию агрессивных жидкостей и газов сан.-тех. изделия, гидротехнические сооружения и т.д.

Кислотостойкие материалы в основном на основе не подвергающихся гидролизу минералов, например SiO₂.

Щелочестойкие – из сильных оснований: магнезит MgO, доломитов CaO MgO, кирпич.

Долговечность – способность материала сопротивляться всей сумме атмосферных воздействий при эксплуатации, характеризуется годами.

Надежность – общее свойство, характеризующее проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Состоит из 4-х свойств.

Безотказность – способность сохранять работоспособность в определенных режимах эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт. Показатель – вероятность безотказной работы.

Отказ – событие, при котором система, элемент полностью или частично теряет работоспособность.

Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению неисправности и сохранить заданную техническую характеристику в результате предупреждения, выявления или устранения отказов. Показатель - среднее время ремонта на один отказ данного вида, а также стоимость устранения отказов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования установленного технической документацией.