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 

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.