Механические свойства строительных материалов

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 29 Января 2014 в 17:50, лекция

Описание работы

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил. Механическими свойствами являются прочность. упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость. Кроме того, под воздействием внешних сил (нагрузок) материалы в зданиях и сооружениях могут испытывать и такие внутренние напряжения, как сжатие, растяжение, изгиб, срез и др. Напряжение измеряют в физических величинах.

Файлы: 1 файл

Механические свойства строительных.docx

— 142.06 Кб (Скачать файл)

Механические  свойства строительных материалов

Механические свойства характеризуют способность материала  сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил.

Механическими свойствами являются прочность. упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость. Кроме того, под воздействием внешних сил (нагрузок) материалы в зданиях и сооружениях могут испытывать и такие внутренние напряжения, как сжатие, растяжение, изгиб, срез и др. Напряжение измеряют в физических величинах.

Прежде чем переходить к изучению механических свойств  материалов, необходимо ознакомиться с принятой в настоящее время  р нашей стране для обозначения физических величин Международной системой единиц СИ.

В действовавшей  до недавнего времени технической  системе основными единицами  измерения были: метр, килограмм-сила, секунда. В системе СИ основными  единицами являются: метр, килограмм-масса, секунда.

Прочность материала  характеризуется пределом прочности (при сжатии, изгибе, растяжении, срезе). Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, при которой  происходит разрушение образца материала.

Прочность строительных материалов обычно характеризуется  маркой, значение которой соответствует  величине предела прочности при  сжатии, полученному при испытании  образцов стандартных размеров. Предел прочности при сжатии строительных материалов колеблется в широких  пределах — от 0,5 (тор- фоплиты) до 1000 МПа и выше (высокопрочная сталь).

Упругостью называют свойство материала восстанавливать  первоначальную форму и размеры  после снятия нагрузки, под действием  которой формы материала деформируются. В качестве примера упругих материалов можно назвать резину, сталь, древесину.

Пластичность — это способность материала под влиянием действующих усилий изменять свои формы и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившуюся форму и размеры после снятия нагрузки. Примером пластичных материалов служит глиняное тесто, разогретый асфальт.

Хрупкость — свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил при незначительных деформациях (например, стекло, керамика).

Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям.

Твердостью материала  называют свойство сопротивляться прониканию ь него другого, более твердого материала. Из природных каменных материалов наименьшую твердость по десятибалльной шкале твердости минералов имеет тальк (1), наибольшую — алмаз (10).

Истираемостью называют способность материала уменьшаться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

Свойство строительных материалов сопротивляться истирающим и ударным нагрузкам необходимо учитывать при подборе материалов для дорожных покрытий, полов промышленных зданий, для ступеней, лестниц, бункеров.

Главными свойствами строительных материалов, по которым  определяют возможность их применения в элементах здания, являются прочность, плотность, теплопроводность, влажность  и водопроницаемость, морозостойкость, огнестойкость.

Прочность — мера сопротивления материала разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Конструкции здания испытывают определенные нагрузки, под действием которых они сжимаются, растягиваются или изгибаются.

Плотность — величина, измеряемая отношением массы вещества к единице его объема в естественном состоянии (кг/м3), т. е. с имеющимися в нем порами и пустотами. Чем плотнее материал, тем меньше в нем пустот и пор, тем больше его плотность. От плотности материала зависят вес конструкций, теплоизоляционные качества и прочность.

Теплопроводность — количества теплоты, проходящей через ограждение толщиной 1 м, площадью 1 м2 при постоянной разности температур наружного и внутреннего воздуха 1 °С. Чем меньше теплопроводность, тем лучше теплозащитные качества материала.

Теплопроводность  материалов зависит от плотности  и степени влажности. Материалы, имеющие меньшую плотность и  влажность, обладают меньшей теплопроводностью.

Влажность — содержание влаги в материале. Влажность определяют в процентах от массы абсолютно сухого материала. Чем меньше влажность, тем меньше плотность и теплопроводность и выше прочность материала.

Водопроницаемость — величина, характеризуемая количеством воды, проходящей в течение 1 ч под постоянным давлением через 1 см2 испытуемого материала. Например, водопроницаемость стыков панелей наружных стен испытывают в особой камере на действие косого дождя при определенной силе ветра. Для кровельных материалов (например, толь, рубероид) водопроницаемость характеризуется временем, в течение которого вода под давлением проходит через материал и появляется с другой стороны образца.

Морозостойкость — способность материалов в насыщенном водой состоянии сопротивляться разрушению при многократном замораживании и оттаивании. Испытание материалов на морозостойкость производится в специальных камерах. Марки изделий по морозостойкости обозначают количесто выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания в водонасыщен- ном состоянии.

Огнестойкость — способность материала выдерживать действие высокой температуры без потери прочности. Предел огнестойкости конструкций из различных материалов оценивается по времени (в ч), которое выдерживает конструкция до потери прочности или устойчивости. Материал, из которого выполнена конструкция, характеризуется по его способности воспламеняться, гореть или тлеть после удаления источника огня. Материалы, которые под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются, называются несгораемыми. Материалы, горение и тление которых прекращается после удаления источника огня, называются трудносгораемыми, а которые горят и тлеют после удаления источника огня — сгораемыми.

Механические свойства характеризуют способность материала  сопротивляться действию внешних механических сил, вызывающих в нем сжатие, растяжение, изгиб, срез, кручение, истирание. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, деформативность (упругость, пластичность), твердость, износостойкость.

Прочность свойство материала в определенных условиях и пределах воспринимать нагрузки или  другие воздействия, вызывающие в нем  внутренние напряжения, без разрушения.

Частицы, из которых  состоит твердый материал, удерживаются в равновесии силами взаимного сцепления. Если к какому-либо образцу материала  приложить внешнюю силу F, например растягивающую (рис. 1), 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).

Рис. 1. Схема определения  напряжений при растяжении

При увеличении действующей  силы напряжения в материале возрастают и могут превысить силу сцепления  частиц и 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). Напряжение, при котором происходит разрушение материала при испытании, называют пределом прочности.

В зависимости от характера приложения нагрузки F и  вида возникающих напряжений различают  прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2).

Прочность определяют на образцах материала, форму и размеры  которых устанавливает стандарт на этот материал. Так, для оценки прочности  бетона приняты образ-цы-кубы размером 150 X 150 X 150 мм.

Предел прочности  бетона при сжатии RclK обычно 10…50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150X150X150 мм с #СЖ=Ю МПа, надо приложить усилие F=RCKS= 10Х (0.15Х 0,15) = 0,225 МН. 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 усилия до 106 И и более (рис. 4).

Рис. 2. Схема определения  пределов прочности материалов на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

Аналогично определяют прочность при растяжении, изгибе, скалывании. Однако расчетные формулы  при изгибе и скалывании имеют  другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и  того же материала может сильно различаться. У всех каменных материалов прочность  при сжатии в 5… 15 раз выше, чем  при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе немного  выше прочности при сжатии. Интересно  отметить, что прочность древесины  при сжатии вдоль волокон близка к прочности бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем  в 10 раз.

Рис. 3. Схема гидравлического  пресса для испытания на сжатие: 1 — станина, 2 — поршень, 3, 5 —  нижняя и верхняя опорные плиты, 4 — испытуемый образец. 6 — маховик  для ручного подъема и опускания  верхней плиты, 7 — манометр, 8 —  масляный насос

Материалы, ведущие  себя подобно резиновому шарику, т. е. восстанавливающие свою форму  и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. 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 растворные 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  метод Бринелля, основанный на вдавливании  под определенной нагрузкой в  испытуемый образец шарика из закаленной стали. По диаметру отпечатка от шарика рассчитывают число твердости НВ.

Высокая прочность  материала не всегда говорит о  его твердости. Так, древесина, хотя по прочности при сжатии равна  бетону, а при изгибе и растяжении превосходит его, имеет значительно  меньшую, чем у бетона, твердость.

Износостойкость —  способность материала противостоять  воздействию 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.

 

 

 

 

Механические свойства строительных материалов

 

 

 

Механические свойства материалов определяют поведение конструкций под действием внешних нагрузок. Последние вызывают разрушение либо деформацию материалов. Сопротивление материалов механическому разрушению характеризуется их прочностными свойствами: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлением удару, износом. Способность материалов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется деформационными свойствами: упругостью, пластичностью, хрупкостью и ползучестью.

Под действием внешних сил строительные конструкции претерпевают деформацию. Изменение формы и размеров тела под действием внешних сил  называется деформацией. При этом твердые  тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, проявляя свойства упругости  или пластичности.

Упругость - свойство материала восстанавливать  свои форму и объем после прекращения  действия внешних сил. Упругую деформацию называют обратимой. Наибольшее напряжение, при котором действует лишь упругая  деформация, называют пределом упругости. В области упругих деформаций действителен закон Гука ~ деформация материала пропорциональна действующему напряжению.

Пластичность - свойство материала  необратимо деформироваться под  действием внешних сил. Пластическая (остаточная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки, называется необратимой.

Механические свойства материалов характеризуются диаграммой деформаций, которую строят в координатах  «механическое напряжение а - относительная  деформация

Начальные участки диаграмм деформирования - прямолинейны. Это означает, что  материал работает как упругое тело и его деформация пропорциональна  напряжению. Связь деформаций £ и  напряжений о в области упругой  работы материала на участке ОА описывается  с помощью закона Гука 

 

18+

Изделия из пенопласта

Станки для резки фасадн. элементов, утеплителя труб, рекламы, дизайна.

Аэрозольные краски

"Нержамет-аэрозоль" - аэрозольная краска для металла в баллончиках.

Краски для стеклянных изделий

Высокие показатели адгезии, водостойкости, износостойкости.

Съёмная тонировка от 700 руб

Метражом и вырезанная под стекло. Отличное качество. Доставка по РФ



 

При увеличении напряжений в стальном образце наблюдаются пластические деформации, отмеченные горизонтальной площадкой текучести Б-Б, ( 13). Бетон  характеризуется хрупким разрушением, при котором пластические деформации невелики - площадка текучести отсутствует.

На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного  периода времени под влиянием постоянных силовых факторов, не способных  вызвать остаточную деформацию за обычные  периоды наблюдений, называется деформацией  ползучести, а процесс такого деформирования - ползучестью,

Явление ползучести выражается в непрекращающемся изменении размера тела (образца) под влиянием растягивающих или  сжимающих постоянных силовых воздействий (напряжений ниже предела прочности) при постоянной температуре - ниже температуры  плавления. Ползучесть обычно выражают в единицах скорости деформации как  относительное изменение размеров образца (мм) за время (ч)

Деформационные свойства строительных материалов обусловливаются периодом или временем релаксации. Релаксацией  называется процесс самопроизвольного  падения внутренних напряжений в  материале, связанных с молекулярным перемещением, при условии, что начальная  величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может  измениться, например из упругой перейти  в необратимую (пластическую), что  связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время или период релаксации определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых  первоначальная величина напряжений при  строго зафиксированной деформации снизилась в е раз (е - основание  натуральных логарифмор, равное 2,718...). Эта величина является важной характеристикой строительных материалов: чем она меньше, тем менее деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величиной.

К упругим материалам относятся  природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным - битумы при положительных температурах, некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

При весьма малой продолжительности  действия сил по сравнению с величиной  времени релаксации все материалы (тела) ведут себя как упруго-хрупкие  и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности.

Хрупкость - свойство материала разрушаться  после незначительной пластической деформации. Хрупкому материалу в  отличие от пластичного нельзя придать  при прессовании желаемую форму, так как такой материал под  нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупкими являются природные и искусственные  камни, стекло, чугун и др. Приближенным значением меры хрупкости служит \|/ = гу/8пред, и при у = 1..Д8 разрушение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

Провести четкую границу между  пластичными и хрупкими телами невозможно. Даже в одном и том же теле можно  наблюдать либо пластичность, либо хрупкость. На характер деформации влияют различные факторы, такие как  температура, тип напряженного состояния, скорость деформации,окружающая среда и др. Повышение температуры, как правило, способствует пластичности, при понижении температуры возрастает хрупкость. Влияние напряженного состояния на характер деформирования показывают опыты с хрупкими материалами. Например, мрамор при линейном напряженном состоянии - хрупкое тело, но при деформации в условиях объемно-напряженного состояния он приобретает пластичность.

Во всяком теле, подверженном действию внешних сил, возникают внутренние силы. Это происходит вследствие деформации твердого тела: атомы или ионы, образующие кристаллическую решетку, смещаются  относительно своих положений равновесия, а силы связи между ними противодействуют этому смещению как внутренние силы.

Прочность - способность материала  сопротивляться разрушению, а также  необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних  нагрузок. Мерой прочности материала  является предел прочности - наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей  нагрузке, при которой образец  материала разрушается (напряжение в точке В,  13).

Кроме указанной, типичными характеристиками служат пределы упругости и пластичности, соответствующие напряжениям на диаграмме деформирования соответственно для точек А и Б. Все эти  характеристики прочности относятся  к кратковременному действию приложенной  нагрузки. При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения  структуры материала.

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).

В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб, скалывание (срез) ( 14). Физическая величина, которая характеризует  интенсивность внутренних сил, приходящихся на единицу площади сечения, называется механическим напряжением.

Для экспериментального определения  предела прочности материала  используют образцы правильной геометрической формы - кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, правила обработки результатов выдерживаются в строгом соответствии с требованиями стандарта. Чаще всего материалы испытывают сжимающей или растягивающей нагрузкой F.

Различные материалы характеризуются  разным пределом прочности при сжатии: от 0,05 (пенополистирол) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь). Часто одни и те же материалы имеют неодинаковый предел прочности, и в зависимости от этого их подразделяют на марки и сорта. Так, марки строительного раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см2) от 4 до 200, обычного бетона - от 100 до 600, керамического кирпича - от 75 до 300.

Прочность материала зависит от его структуры, пористости, влажности, дефектов строения, температуры, состояния  поверхности и других факторов.

Кроме прочности технической или  реальной, определяемой с помощью  условных приборов, существует прочность, рассчитываемая вычислением и поэтому называемая теоретической. Простейший метод оценки теоретической прочности твердых тел был предложен М. Поляни в 1921 г. Идея расчета состояла в следующем. Если для разрыва стержня сечением 1 м2 потребовалось приложить напряжение ст0, а атомные плоскости при этом удалились друг от друга на величину а (параметр кристаллической решетки), то работа выразилась как о0а. При разрыве образовались две новых поверхности площадью 2 м2, а затраченная работа перешла в свободную поверхностную энергию.

Большое различие между теоретической  и реальной прочностью материала  объясняется дефектностью микроструктуры, т. е. наличием микротрещин, пор и  т. д. Чем крупнее образцы твердых  тел, принятых для испытания, тем  больше концентрируется в них  дефектов, а поэтому их реальная прочность ниже, т. е. действует обратная зависимость прочности от размера  изделий (масштабного фактора).

Наиболее обстоятельно метод расчета  реальной прочности хрупких твердых  тел исследовалГриффите. Им предложена формула для расчета этой прочности материала, имеющего микротрещину

Следует отметить, что прочность  в большей степени, чем другие свойства материала, проявляет чувствительность к явлениям и процессам формирования и изменения структуры, особенно кристаллической. Прочность материала  является структурно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в необходимом  направлении путем соответствующих  корректив структуры на микро- или макроуровне; уменьшения дефектов; введения добавок, например кристаллических затравок; повышения дисперсности новообразований; оптимизации структуры, изменения пористости и размера пор и др.

Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела. Твердость ряда строительных материалов (бетона, древесины, металлов, строительного раствора) определяют специальным прибором, вдавливая  в них закаленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В  результате испытания вычисляют  число твердости. Оно равно отношению  силы вдавливания к площади поверхности  отпечатка. Твердость минералов  и однородных горных пород оценивают  по шкале Мооса, содержащей десять 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.

Истираемость - свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий.

Сопротивление материала истиранию  определяют на круге истирания с  подсыпанием абразивных порошков - наждака или кварцевого песка. Истираемость зависит от прочности и твердости материала и важна для оценки эксплуатационных свойств материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.


 

 

К содержанию книги:  Строительные материалы и изделия 

 

Смотрите также: 

 

 

  Строительные материалы (Учебно-справочное пособие)    

 

Строительные материалы и изделия 

 

Строительные материалы (Воробьев В.А., Комар А.Г.) 

 

Строительные материалы (Домокеев) 

 

Строительные материалы из древесных отходов 

 

Материалы будущего - силикаты, полимеры, металл...


Информация о работе Механические свойства строительных материалов