Строительные материалы: сырье, состав, строение, технология получения, применение

Механические свойства.

Деформативные свойства.Деформацией твердого тела называется изменение его размеров и объема, сопровождающееся изменением формы тела. Простейшими элементами деформации являются относительное удлинение и сдвиг.

Относительное удлинениё «ε» стержня или материального волокна среды длины «l» есть отношение изменения (l - l_o) к первоначальной длине: ε = (l-l_o)/l_o.

Сдвигом называется изменение угла у между элементарными волокнами, исходящими из одной точки и образующими прямой угол до деформации.

Материалы под воздействием нагрузок деформируются. В твердых телах деформация называется упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, и пластической, если она после снятия нагрузки не исчезает; если она исчезает не полностью, то называется упругопластической, если она изменяется во времени и обратима, то называется вязкоупругой.

Упругость – свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы.

Пластичность – свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин и сохранять эту форму после снятия нагрузки. При этом в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической.

Пластическая деформация необратима, тогда как упругая является обратимой.

Все материалы подразделяются на пластичные и хрупкие. К первым относят сталь, медь, нагретый битум. К хрупким относят каменные материалы, стекло и др. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются сжатию и плохо изгибу, растяжению, удару.

Модуль упругости Е связывает упругую деформацию и одноосное напряжение, выражающим закон Гука:

ε=σ / Е

σ – механическое напряжение численно равное упругой силе, приходящейся на единицу площади сечения тела. σ = F/S.

График зависимости σ = f (ε) при одностороннем напряжении называется диаграммой растяжения.

Стекло деформируется как упругий хрупкий материал (линейная зависимость). Металлы сохраняют упругость при значительных напряжениях, для многих из них характерно площадка текучести, такое состояние тела при котором удлинение происходит без увеличения напряжения. В бетонах пластические деформации не велики. Кроме того, на диаграммах для бетонов наблюдается нелинейное соотношение напряжения и деформации.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Строительные материалы в конструкциях, подвергаясь различным нагрузкам, испытывают напряжение сжатия, растяжения, изгиба, среза и удара. Отсюда различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе и т.д. Чаще всего строительные материалы работают на сжатие или растяжение.

Прочность материала оценивается пределом прочности, определенным при данном виде нагрузке. Пределом прочности называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение материала. Основным, для строительных материалов, является предел прочности при сжатии. Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности определяют как средний результат испытания образцов (обычно не менее трех).

Предел прочности определяется на образцах соответствующей формы (куб, цилиндр, призма) и размеров в зависимости от вида материала. Форма и размеры образца для испытания оговариваются в соответствующем ГОСТе. Привести примеры образцов. Четкое регламентирование образца в зависимости от вида материала связано с тем, что его форма и размер оказывают существенное влияние на результат испытания. Из более однородных материалов изготавливают образцы меньших размеров, а из менее однородных – более крупных.

Также, на результат влияет скорость нагружения образца. Поэтому данный показатель также регламентируется ГОСТом.

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. В нормативных документах марка по прочности указывается в кг/см²; например, марка портландцемента М400, М500, М600. Также существуют классы по прочности.

Предел прочности при сжатии равен частному от деления разрушающей нагрузки Р на первоначальную площадь поперечного сечения образца F:

R_сж=Р/ F, [кг/см², МПа]

Опытным путем R_сж определяют при испытании на гидравлическом прессе.

Предел прочности при растяжении определяется по той же формуле (Р – разрывная сила) и используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.

В зависимости от соотношения R_р / R_сж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых R_р> R_сж (древесина и другие волокнистые материалы); R_р= R_сж (сталь); R_р< R_сж (хрупкие материалы – природные камни, бетон, кирпич).

Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца в виде балочек на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения:

P – разрушающая нагрузка, кг;

l – пролет между опорами, см;

b – ширина образца, см;

h – высота образца, см.

Определение прочности на изгиб производится либо на специальной машине, либо на гидравлическом прессе с помощью специальной оснастки, обеспечивающей изгибовую нагрузку.

Однако в строительных материалах можно допускать напряжение σ, составляющее только часть предела прочности.

σ = R_и/Z;

где Z это запас прочности материала, который должен быть более 1 (обычно 2 и 3).

Запас прочности материала обусловлен следующими причинами:

1. Полученные в ходе испытаний значения прочностных характеристик являются усредненными. Вследствие своей неоднородности в слабых частях материал разрушиться раньше, чем напряжение достигнет предела прочности.

2. Многие материалы, нагруженные до напряжения, составляющего только часть предела прочности (50-70 %), сильно деформируются.

3. В каменных материалах образуются трещины раньше достижения напряжения, равного пределу прочности.

4. При многократной переменной под влиянием так называемой усталости материала он может разрушаться при напряжении, равном только половине предела прочности.

5. Действие атмосферы изменяют первоначальные свойства материала; со временем происходит его старение, сопровождаемое снижением прочности.

Поэтому предел прочности есть величина достаточно условная и при проектировании зданий и сооружений используют определенные запасы прочности, установленные в различных нормативах.

Строительные материалы в некоторых конструкциях подвергаются ударным воздействиям (в полах, дорожных покрытиях и др.). Поэтому вводят такой параметр как ударная прочность. Ударной прочностью (ударной вязкостью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема или площади поперечного сечения.

Устанавливается ударная прочность при испытании на копре. Гирю, подвешенную на определенной высоте, сбрасывают на образец до тех пор, пока на последнем не появится трещин. Суммарная работа, затраченная на разрушение образца (в кг м) и отнесенная к единице объема (см³) будет характеризовать ударную прочность (кг м / см³).

Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость природных камней оценивается шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царамает все предыдущие.

1. тальк; 2. гипс; 3. кальцит; 4. флюорит (плавиковый шпат); 5. апатит; 6. ортоклаз; 7. кварц; 8. топаз; 9. корунд; 10. алмаз

С 6-10 минералы царапают стекло, первые царапаются стальным ножном.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ: СЫРЬЕ, СОСТАВ, СТРОЕНИЕ, ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ