Материал: Доманская. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

3. Свойства строительных материалов

Коэффициент конструктивного качества является важной характеристикой эффективности материалов — это условная величина, учитывающая прочность на сжатие и среднюю плотность материала, рассчитываемая по формуле:

Твердость — способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала, не всегда соответствующая прочности: древесина имеет прочность, близкую к бетонам, но значительно меньшую твердость. Для разных материалов твердость определяют разными методиками. Например, при определении твердости природных каменных материалов используют шкалу Мооса из 10 минералов с условным показателем твердости от 1 до 0, составленную при условии, что более твердый материал с более высоким порядковым номером царапает материал с более низким номером. Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, конуса или пирамиды.

Истираемость — способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий, определяемая при испытании образцов на круге истирания или в полочном барабане и рассчитываемая по формуле:

где m1, m2 — масса образца материала до и после испытания соответственно, кг;

F — площадь поверхности истирания, м 2.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов; зависит от структуры, состава, твердости, прочности, истираемости материала [2].

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

29

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

форму, так как он под нагрузкой дробится на части и рассыпается.

В группу деформативных объединяют свойства материалов, проявляющиеся при воздействии на них механических и температурных нагрузок, в результате которых в материале возникают различного рода деформации, напряженное состояние и наступает разрушение.

Деформация — нарушение взаимного расположения множества частиц материальной среды, которое приводит к изменению формы и размеров тела и вызывает изменение сил взаимодействия между частицами, т. е. возникновение напряжений. Простейшим элементом деформации являются относительное удлинение и сдвиг.

Разрушение — ослабление взаимосвязи между частицами при нарушении сплошности структуры. Различают хрупкое, т. е. мгновенное (без деформации) и пластическое (с деформацией) разрушение твердого тела.

Пластичность — свойство деформируемого твердого тела сохранять остаточные деформации после снятия приложенной к нему нагрузки.

Упругость — свойство твердого тела изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешних воздействий. Упругость тел обусловлена силами взаимодействия атомов, из которых они построены. В твердых телах при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий атомы занимают равновесное положение, в котором сумма всех сил, действующих на каждый атом со стороны остальных, равна нулю, а потенциальная энергия атома минимальна.

В большинстве природных и искусственных материалов (например, в горных породах, древесине, керамике, бетоне, металлах) при малых деформациях зависимости между напряжениями и деформациями можно считать линейными (график

30

3. Свойства строительных материалов

А на рис. 1) и описывать обобщенным законом Гука. Модуль Юнга, или модуль упругости — это основная характеристика прочности материала, показывающая критическое напряжение, которое может выдержать структура материала при максимальной ее деформации до разрушения, рассчитываемая по формуле:

где σ — критическое напряжение, возникающее в материале, МПа;

Е — модуль упругости (модуль Юнга); ε — относительная деформация материала, дол. ед.

A

B

C

Рис. 1. Зависимость напряжений и деформаций для разных материалов:

А — каменные материалы, керамика; В — металлы; С — полимеры

Все реальные твердые тела даже при малых деформациях в большей или меньшей степени обладают пластическими свойствами, т. е. наряду с упругими деформациями также имеют место пластические. Соотношения между двумя противоположными видами деформации для различных материалов неодинаковы (см. табл. 3 и 4). В полимерах преобладают пла-

31

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

стические деформации (график С на рис. 1), а в металлах — промежуточные: до площадки текучести упругие, после — пластические (график В на рис. 1).

Таблица 3

Значения начального модуля упругости при сжатии и растяжении бетона, МПа∙10–3, согласно СП 52– 101 20 03

Таблица 4

Модули упругости для основных строительных материалов [2]

Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) показывает зависимость между продольными и поперечными деформациями элемента, характеризует упругие свойства материала и является безразмерной величиной, которую определяют отношением относительных поперечных

32

3. Свойства строительных материалов

и продольных деформаций элемента и рассчитывают по формуле:

где εпоп и εпрод — относительные поперечные и продольные деформации элемента, дол. ед.

Отношение абсолютных деформаций к соответствующим начальным размерам покажет относительные деформации, а их отношение в свою очередь определяет коэффициент Пуассона материала (табл. 5). Значение коэффициента принимают по модулю, т. к. продольная и поперечная деформации всегда имеют противоположные знаки (удлинение образца приводит к его сужению и наоборот). Для всех существующих материалов значение коэффициента Пуассона варьируется в пределах от 0 до 0,5: минимальное значение для хрупких материалов, максимальное — для эластичных. В зависимости от марки стали коэффициент Пуассона варьируется от 0,27 до 0,32.

Таблица 5

Значения коэффициента Пуассона для строительных материалов

Ползучесть материалов — непрерывная пластическая деформация материалов под воздействием постоянной механической нагрузки или напряжений. Ползучести подвержены все кристаллические и аморфные твердые тела при всех видах ме-

33