Материалы специального назначения в строительстве. Механические свойства стройматериалов
К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.
Прочность — способность материалов сопротивляться разру-шению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределам прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.
Различают пределы прочности материалов при сжатии, рас-тяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах. Предел прочности при сжатии и растяжении R СЖ(Р) , МПа, вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р, Н, к площади поперечного сечения F, мм 2:
Предел прочности при изгибе R И, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента M, Н х мм, к моменту сопротивления образца, мм 3:
Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5-50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы — металл, древесина, многие пластмассы — хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.
Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества . Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:
Коэффициент конструктивного качества для тяжелого бетона марки 300 равен 12,5; стали марки Ст5-46, древесины дуба при растяжении — 197. Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными.
Упругость — способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.
Упругость оценивается пределом упругости б уп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, P УП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F 0 , мм 2:
б УП =Р УП /F 0
Пластичность — способность материалов изменять свою форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.
Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.
Релаксация — способность материалов к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале. Релаксация оценивается периодом релаксации — временем, за которое напряжение в материале снижается в е = 2,718 раза, где е — основание натурального логарифма. Период релаксации составляет от 1 х 10 -10 секунд для материалов жидкой консистенции и до 1 х 10 10 секунд (десятки лет) у твердых.
Твердость — способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.
Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.
Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.
Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость.
Истираемость — способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И в г/см 2 вычисляется как отношение потери массы образцом m 1 -m 2 в г от воздействия истирающих усилий к площади истирания F в см 2 ;
И = (m 1 - m 2) / Р.
Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог.
Износ — свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости. Износ определяют на пробах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Чем больше потеря массы пробы испытанного материала (в процентах к первоначальной массе пробы), тем меньше его сопротивление износу.
Хрупкость — свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.
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.
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.
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.
Строительные материалы и изделия классифицируют по степени готовности, происхождению, назначению и технологическому признаку.
По степени готовности различают собственно строительные материалы и строительные изделия - готовые изделия и элементы, монтируемые и закрепляемые на месте работы. К строительным материалам относятся древесина, металлы, цемент, бетон, кирпич, песок, строительные растворы для каменных кладок и различных штукатурок, лакокрасочные материалы, природные камни и т. д. Строительными изделиями являются сборные железобетонные панели и конструкции, оконные и дверные блоки, санитарно-технические изделия и кабины и др. В отличие от изделий строительные материалы перед применением подвергают обработке - смешивают с водой, уплотняют, распиливают, тешут и т. д.
По происхождению строительные материалы подразделяют на природные и искусственные. Природные материалы - это древесина, горные породы (природные камни), торф, природные битумы и асфальты и др. Эти материалы получают из природного сырья путем несложной обработки без изменения их первоначального строения и химического состава. К искусственным материалам относят кирпич, цемент, железобетон, стекло и др. Их получают из природного и искусственного сырья, побочных продуктов промышленности и сельского хозяйства с применением специальных технологий. Искусственные материалы отличаются от исходного сырья как по строению, так и по химическому составу, что обусловлено коренной переработкой его в заводских условиях.
Наибольшее распространение получили классификации материалов по назначению и технологическому признаку.
По назначению материалы подразделяют на следующие группы:
Конструкционные, которые воспринимают и передают нагрузки в строительных конструкциях;
Теплоизоляционные, основное назначение которых - свести до минимума перенос теплоты через строительную конструкцию и тем самым обеспечить необходимый тепловой режим в помещении при минимальных затратах энергии;
Акустические (звукопоглощающие и звукоизоляционные) - для снижения уровня “шумового загрязнения” помещения;
Гидроизоляционные и кровельные - для создания водонепроницаемых слоев на кровлях, подземных сооружениях и других конструкциях, которые необходимо защищать от воздействия воды или водяных паров;
Герметизирующие - для заделки стыков в сборных конструкциях;
Отделочные - для улучшения декоративных качеств строительных конструкций, а также для защиты конструкционных, теплоизоляционных и других материалов от внешних воздействий;
Специального назначения (например огнеупорные или кислотоупорные), применяемые при возведении специальных сооружений.
Ряд материалов (например цемент, известь, древесина) нельзя отнести к какой-либо одной группе, так как их используют и в чистом виде, и как сырье для получения других строительных материалов и изделий. Это так называемые материалы общего назначения. Трудность классификации строительных материалов по назначению состоит в том, что одни и те же материалы могут быть отнесены к разным группам. Например, бетон в основном применяют как конструкционный материал, но некоторые его виды имеют совсем иное назначение: особо легкие бетоны являются теплоизоляционным материалом; особо тяжелые бетоны - материалом специального назначения, который используют для защиты от радиоактивного излучения.
По технологическому признаку материалы подразделяют, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и вид его изготовления, на следующие группы:
Природные каменные материалы и изделия - получают из горных пород путем их обработки: стеновые блоки и камни, облицовочные плиты, детали архитектурного назначения, бутовый камень для фундаментов, щебень, гравий, песок и др.
Керамические материалы и изделия - получают из глины с добавками путем формования, сушки и обжига: кирпич, керамические блоки и камни, черепица, трубы, изделия из фаянса и фарфора, плитки облицовочные и для настилки полов, керамзит (искусственный гравий для легких бетонов) и др.
Стекло и другие материалы и изделия из минеральных расплавов - оконное и облицовочное стекло, стеклоблоки, стеклопрофилит (для ограждений), плитки, трубы, изделия из ситаллов и шлакоситаллов, каменное литье.
Неорганические вяжущие вещества - минеральные материалы, преимущественно порошкообразные, образующие при смешивании с водой пластичное тело, со временем приобретающее камневидное состояние: цементы различных видов, известь, гипсовые вяжущие и др.
Бетоны - искусственные каменные материалы, получаемые из смеси вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителей. Бетон со стальной арматурой называют железобетоном, он хорошо сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и растяжению.
Строительные растворы - искусственные каменные материалы, состоящие из вяжущего, воды и мелкого заполнителя, которые со временем переходят из тестообразного в камневидное состояние.
Искусственные необжиговые каменные материалы - получают на основе неорганических вяжущих и различных заполнителей: силикатный кирпич, гипсовые и гипсобетонные изделия, асбестоцементные изделия и конструкции, силикатные бетоны.
Органические вяжущие вещества и материалы на их основе - битумные и дегтевые вяжущие, кровельные и гидроизоляционные материалы: рубероид, пергамин, изол, бризол, гидроизол, толь, приклеивающие мастики, асфальтовые бетоны и растворы.
Полимерные материалы и изделия - группа материалов, получаемых на основе синтетических полимеров (термопластических и термореактивных смол): линолеумы, релин, синтетические ковровые материалы, плитки, древеснослоистые пластики, стеклопластики, пенопласты, поропласты, сотопласты и др.
Древесные материалы и изделия - получают в результате механической обработки древесины: круглый лес, пиломатериалы, заготовки для различных столярных изделий, паркет, фанера, плинтусы, поручни, дверные и оконные блоки, клееные конструкции.
Металлические материалы - наиболее широко применяемые в строительстве черные металлы (сталь и чугун), стальной прокат (двутавры, швеллеры, уголки), сплавы металлов, особенно алюминиевые.
Поэтому для более глубокого понимания свойств материалов, их рационального использования при изучении предмета “Строительные материалы и изделия” положена классификация по технологическому признаку и лишь в отдельных случаях рассматривают группы материалов по назначению.
Данную группу свойств составляют, во-первых, параметры физического состояния материалов и, во-вторых, свойства, определяющие отношение материалов к различным физическим процессам. К первым относят плотность и пористость материала, степень измельчения порошков, ко вторым - гидрофизические свойства (водопоглощение, влажность, водопроницаемость, водостойкость, морозостойкость), теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, температурное расширение) и некоторые другие.
Истинная плотность р и - масса единицы объема абсолютно плотного материала, т.е. без пор и пустот. Вычисляется она в кг/м 3 , кг/дм 3 , г/см 3 по формуле:
где m - масса материала, кг, г; V а - объем материала в плотном состоянии, м 3 , дм 3 , см 3 .
Истинная плотность каждого материала - постоянная физическая характеристика, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры. Так, у неорганических материалов, природных и искусственных камней, состоящих в основном из оксидов кремния, алюминия и кальция, истинная плотность находится в пределах 2400–3100 кг/м 3 , у органических материалов, состоящих в основном из углерода, кислорода и водорода, она составляет 800–1400 кг/м 3 , у древесины - 1550 кг/м 3 . Истинная плотность металлов колеблется в широком диапазоне: алюминия - 2700 кг/м 3 , стали - 7850, свинца - 11300 кг/м 3 .
Средняя плотность р с - масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. с порами. Она может быть сухого материала, в состоянии естественной или другой влажности, указываемой в ГОСТ. Среднюю плотность (в кг/м 3 , кг/дм 3 , г/см 3) вычисляют по формуле:
где m - масса материала, кг, г; V е - объем материала, м 3 , дм 3 , см 3 .
Среднюю плотность сыпучих материалов - щебня, гравия, песка, цемента и др. - называют насыпной плотностью. В объем входят поры непосредственно в материале и пустоты между зернами.
Средняя плотность большинства материалов обычно меньше их истинной плотности. Отдельные материалы, такие как сталь, стекло, битум, а также жидкие, имеют практически одинаковые истинную и среднюю плотности.
Относительная плотность d - отношение средней плотности материала к плотности стандартного вещества. За стандартное вещество принята вода при температуре 4 o С, имеющая плотность 1000 кг/м 3 . Относительная плотность (безразмерная величина) определяется по формуле:
Пористость П - степень заполнения объема материала порами. Вычисляется в % по формуле:
где P с, P и - средняя и истинная плотности материала.
Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.
Для сыпучих материалов определяется пустотность (межзерновая пористость). Истинная, средняя плотности и пористость материалов - взаимосвязанные величины. От них зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость и другие свойства материалов. Примерные значения их для наиболее распространенных материалов приведены в табл. 1.1.
Влажность W - содержание воды в материале в данный момент. Она определяется отношением воды, содержащейся в материале в момент взятия пробы для испытания, к массе сухого материала. Вычисляется в %по формуле:
где m вл, m с - масса влажного и сухого материалов, г.
Водостойкость - способность материала сохранять свою прочность при насыщении водой. Она оценивается коэффициентом размягчения КРАЗМ, который равен отношению предела прочности материала при сжатии в насыщенном водой состоянии R В, МПа, к пределу прочности сухого материала R СУХ, МПа:
К РАЗМ= R В / R СУХ.
Для разных материалов К РАЗМ = 0…1. Так, глина при увлажнении не имеет прочности, ее К РАЗМ = 0. Металлы, стекло полностью сохраняют прочность в воде, для них К РАЗМ = 1. Строительные материалы с коэффициентом размягчения меньше 0,8 не применяют во влажной среде.
Таблица 1.1
В многочисленной учебной и научно-технической литературе понятия «строительные материалы», «изделия», «строительные детали», «полуфабрикаты», «конструкции» используются произвольно, без четкого различия объекта производства или строительства, где данный термин применяется для описания того или иного процесса. И в самом деле: для цементного завода цемент это готовый продукт, а для бетонного завода – это сырьевой материал. Еще большая путаница с терминами «изделие» и «конструкция». Для завода ЖБИ многопустотная плита настила, колонна, ферма и т.д. – это изделие, а для строителей и проектировщиков – конструкция. Поэтому, рассматривая классификацию строительных материалов, мы постараемся придерживаться общепринятого подхода использования тех или иных терминов, памятуя о том, что во всякой классификации нет четких границ между соседними группами объектов, вошедших в них по общим признакам.
Д.П.Айрапетов предлагает классифицировать строительные материалы на: материалы, изделия и конструкции, относя к:
материалам - сырьевые материалы; полуфабрикаты; материалы, готовые к применению;
изделиям – столярные, скобяные, электротехнические, санитарно-технические изделия и трубы, элементы (детали) несущих и ограждающих конструкций;
конструкциям – элементы несущих и ограждающих конструкций, конструкции здания.
По назначению строительные материалы и изделия можно разделить на конструкционные (не путайте со словом – конструктивные), конструкционно-отделочные и отделочные. Средняя группа конструкционно-отделочных материалов и изделий включает в себя продукцию, используемую обычно в ограждающих конструкциях, но имеющих отделанную поверхность.
Строительные материалы и изделия можно классифицировать по назначению еще более общё, деля их всего на две категории: общего назначения (например, металлы, лесоматериалы, стекло, природные и искусственные каменные материалы и т.п.) и специального назначения (гидроизоляционные, кровельные, теплоизоляционные, акустические, герметизирующие и др.).
Несмотря на то, что современные здания в конструктивном плане весьма разнообразны, все они имеют примерно одинаковый перечень конструкций и деталей, выполняющих определенную функцию. По аналогии с функциональными группами частей зданий: стены, полы, крыша и др., строительные материалы также могут делиться на стеновые, для полов, кровельные и др.
Известна так называемая архитектурно-строительная классификация готовых к применению строительных материалов и изделий (без сырья и полуфабрикатов) по их назначению в конструкциях и отделки зданий и сооружений. По этой классификации в группу конструкционных входят строительные материалы и изделия: для несущих конструкций; для ограждающих конструкций; тепло- и звукоизоляционные; кровельные; гидро- и пароизоляционные; герметизирующие; для светопрозрачных ограждений, окон и дверей; для инженерно-технического оборудования; специального назначения.
Конструкционно-отделочные делятся наматериалы и изделия для: лицевых слоев ограждающих конструкций; ограждений балконов и лоджий; покрытий полов и лестниц; сборно-разборных, мобильных и других перегородок; подвесных потолков; стационарного оборудования и мебели; дорожных покрытий и др.
К отделочным относятся материалы для наружной отделки зданий и сооружений; для внутренней отделки зданий и сооружений; для специальных декоративных и защитных покрытий.
Наиболее распространенным видом классификации строительных материалов и изделий является классификация по происхождению и технологическому признаку. Она удобна для технологов и других специалистов по производству строительных материалов и изделий. В основу такой классификации положены различия в видах основного сырья и способах производства.
По сырьевому признаку строительные материалы делятся на: природные каменные, керамические, материалы и изделия из минеральных расплавов, минеральные и органические вяжущие вещества, бетоны, строительные растворы, искусственные каменные материалы на основе минеральных вяжущих, металлические материалы и изделия, железобетонные изделия, лесные материалы, теплоизоляционные, акустические, кровельные, гидроизоляционные и пароизоляционные материалы, лакокрасочные материалы и обои, материалы и изделия на основе полимеров.
По происхождению материалы можно разделить на естественные или природные и искусственные, а также на минеральные (например, бетоны, керамика, стекло и др.) и органические (пластмассы, битумы, лесоматериалы и др.).
В связи с многообразием современных методов изготовления строительных материалов классифицировать их по технологическому признаку весьма трудоемкое занятие. Поэтому все материалы делят по этому признаку лишь на обжиговые и безобжиговые.
Как известно, свойства материалов зависят от состава и строения. Строение материала обусловлено его структурой. Различают макроструктуру материала, видимую невооруженным глазом, микроструктуру – строение, видимое в оптический микроскоп, и внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, которое изучается методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.п.
Для практических целей наибольший интерес представляет макроструктура материалов, которая может быть следующих типов:
Конгломератная (бетоны и др.),
Ячеистая (газо- и пенобетоны, поропласты и др.),
Мелкопористая (керамика и др.),
Волокнистая (древесина, стеклопластик, изделия из минеральной ваты и др.),
Слоистая (алюкобонд, фанера, бумажный пластик, гипсокартон и др.),
Порошкообразная (цемент, заполнители и др.).
По взаимному расположению атомов и молекул, а также энергии их связи между собой, материалы делятся на кристаллические и аморфные. Последние более химически активные, чем кристаллические. Кристаллические материалы плавятся при строго определенной температуре, а аморфные – размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.
Не менее важной характеристикой, определяющей свойства материалов, является их состав. Различают химический, минералогический и фазовый составы строительных материалов.
Химический состав позволяет прогнозировать ряд технических характеристик строительных материалов, таких как огнестойкость, биостойкость, стойкости при действии химических реагентов – кислот, щелочей, солей, механических параметров и др. Металлы, например, оцениваются по содержанию в них легирующих добавок, способных в значительной мере облагородить, улучшить их свойства. Ряд неорганических строительных материалов (горные породы, вяжущие вещества, стекло и др.) описываются количественным содержанием в них оксидов. Кислотные и основные оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые являются основными носителями информации о свойствах данного материала.
Минералогический состав материала характеризуется наличием тех или иных минералов и их количественным содержанием, что в конечном итоге и определяет его основные свойства. Например, гранит состоит из минералов кварца, полевых шпатов и слюды. Многоцветие гранитов зависит в основном от вида и количества полевых шпатов и наличия темноокрашенных минералов. Изменяя количественное соотношение минералов в искусственных материалах, таких как цементы, можно в широком диапазоне изменять их физические и механические свойства.
Фазовый состав материала представлен твердым веществом, образующим стенки пор, т.е. каркас материала, и поры, заполненные водой и воздухом. Фазовый состав и фазовые переходы воды в порах определяют свойства и поведение материала при эксплуатации.
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нем внутренние напряжения. Основные механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, износостойкость, деформативность (упругость, пластичность).
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. 2.3), 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 а (МПа), т. е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения материала и возникающих в материале при приложении к нему внешней силы F (кН), мысленно делают поперечный разрез образца. Чтобы образовавшиеся половинки образца остались в равновесии, внешней силе F должна противодействовать равная ей внутренняя сила а А, где А (м2) - площадь поперечного сечения образца материала, откуда а = F/A.
Рис. 2.3. Схема определения напряжений а в брусе при его растяжении
Чем выше модуль упругости материала, тем меньше он деформируется. Так, модуль упругости каучука 10…20 МПа, а стали - 2 * 105 МПа, это значит, что под действием одной и той же силы деформация стали будет в 10 раз меньше, чем каучука при прочих равных условиях.
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 силы FH вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании (срезе) (рис. 2.4).
Предел прочности материала определяют на образцах, форму и размеры которых устанавливают стандарты на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150х150х150 мм. Марка цемента определяется на образцах- балоч-ках 40 х 40 х 160 мм. Для определения прочности горных пород обычно применяют образцы-цилиндры.
Предел прочности бетона при сжатии обычно составляет 10…50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150 х 150 х х 150 мм с Rcx - 10 МПа, надо приложить усилие F=RCXA = = 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 10 кН (100т) и более (рис. 2.5).
Для испытания на прочность образец устанавливают на нижнюю плиту пресса, зажимают верхней плитой и включают масляный насос. За повышением давления масла наблюдают по манометру, фиксируя давление, при котором начинается разрушение материала.
Рис. 2.4. Схема нагружения образца при определении пределов прочности материала на сжатие (а), растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)
Предел прочности при растяжении рассчитывается по той же формуле.
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 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).
Значение Кр для разных материалов колеблется от 0 (необожженная глина) до 1 (стекло, сталь, битум).
Упругость и пластичность. Если 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. восстанавливающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими. Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е, рассмотренный ранее.
Чем выше Е у материала, тем большее усилие требуется для деформации материала. Идеально упругих материалов практически нет. При высоких нагрузках, в особенности прилагаемых длительное время, почти все материалы обнаруживают пластические деформации; как принято говорить: материал начинает «течь».
Материалы, ведущие себя подобно влажной глине, т. е. сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластичными. Соответственно обратимые деформации называют упругими, 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 (см. табл. 4.1). 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 сравнима с бетоном, а при изгибе и растяжении во много раз превосходящая его, значительно уступает бетону в твердости.
Износ - изменение размеров, массы и состояния поверхности материала вследствие истирающих и ударных воздействий. Износ может быть абразивным, кавитационным и др.
Износостойкость у строительных материалов оценивается в основном для заполнителей, используемых в дорожных бетонах. Оценка производится по потере массы пробы материала при его испытании по стандартной методике в полочном барабане.
Истираемость - свойство поверхностного слоя материала сопротивляться абразивному износу. Истираемость зависит от совокупности свойств материала: твердости, пластичности, упругости и др. Истираемость не оценивается расчетным путем, а определяется экспериментально. Для различных материалов используются разные, но строго регламентируемые стандартами методы. Например, истираемость бетона определяют с помощью круга истирания ЛКИ с использованием кварцевого песка в роли абразива (рис. 2.6); истираемость линолеума - с помощью вращающихся барабанов, обтянутых наждачной бумагой (рис. 2.7). Истираемость оценивается по потере массы или толщины образцов материала после цикла стандартных испытаний. Показатель истираемости очень важен для материалов, используемых для покрытий полов, лестниц и т. п.