Механические свойства строительных материалов

Механические свойства характери­зуют способность материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям под влиянием силовых, тепловых, усадочных или других воздействий.

Механические свойства разделяют на деформативные (упру­гость, пластичность и другие) и прочностные (пределы прочно­сти при сжатии, растяжении, изгибе, скалывании; ударная проч­ность или сопротивление удару; сопротивление истиранию).

Деформативные свойства.Упругость – свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т.е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е (МПа) вычисляется из закона Гука:

где s – напряжение, МПа; e – относительная деформация.

Пластичность – свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжения, характеризует пластичность материала. Чаще всего с повышением скорости нагружения и понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим.

Пластическая деформация, медленно нарастающая длительное время (месяцы и годы), при нагрузках, меньших тех, которые способны вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования – ползучестью.

Релаксация – свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации зафиксирована и остается неизменной. Время, в течение которого первоначальная величина напряжения снижается в e раз (где е – основание натуральных логарифмов), называется периодом релаксации.

Хрупкость – свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации.

Прочностные свойства – это свойства материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов. Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные нагрузки, которые может воспринимать данный элемент при заданном сечении. Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением), оп­ределенным при данном виде деформации. Для хрупких матери­алов (природных каменных материалов, бетонов, строитель­ных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характе­ристикой является предел прочности на сжатие.

Предел прочности на сжатие Rсж (МПа) равен максимальному сжимающему напряжению, вызвавшему разрушение материала, т.е.

где Рразр – разрушающая сила, H; A – площадь сечения до испытания, мм 2 .

Предел прочности на сжатие определяют путем нагружения до разрушения стандартных образцов на специальных прессах (испытательных машинах).

По той же формуле определяют предел прочности на растяжение для тех материалов, которые сопротивляются растягивающим напряжениям и деформациям (древесина, металлы и т.п.).

Для многих материалов (бетон, кирпич, древесина и др.) определяют предел прочности на растяжение при изгибе Rизг (МПа) по формулам:

_ при одном сосредоточенном грузе, расположенном посереди­не образца-балочки прямоугольного сечения (рис.3а):

_ при двух одинаковых грузах, расположенных на одинаковом расстоянии от середины балочки (рис.3б):

где Рразр – разрушающая нагрузка, Н (кгс); l ─ расстоя­ние между опорами балочки, мм (см); a ─ рас­стояние между двумя грузами, мм (см); b и h ─ ширина и высота балочки в поперечном сечении, мм (см).

При последняя формула упрощается:

Рис. 3. Схемы испытаний на изгиб:

а – при одном сосредоточенном грузе; б – при двух одинаковых грузах

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Твердость каменных материалов, стекла оценивают с помощью шкалы твердости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твердости (1 – тальк, …10 – алмаз).

Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность) – свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца на специальных приборах, называемых копрами, отнесенной к единице объема (Дж/см 3 ).

Сопротивление истиранию – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Это свойство характеризуется истираемостью – потерей массы при истирании образца на кругах истирания, отнесенной к его площади (г/см 2 ).

Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Это свойство определяют при испытании образцов в полочных барабанах.