Механические свойства

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. 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.

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.

Рассмотрим различные виды 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 (схема) 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 (схема) 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 разрушится 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. 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.

Коэффициент конструктивного качества (ККК)равен отношению показателя прочности (в МПа) к относительной плотности (без единиц измерения, но значение в г/см³).

ККК для различных материалов:

Стеклопластик 450/2=225 МПа;

Сталь 370/7,85 = 51 МПа;

Тяжелый бетон 40/2,4 = 16,6 МПа;

Ячеистый бетон 50/0,5=10 МПа.

Кирпич 10/1,8 = 5,5 МПа.