книги / Строительные материалы
..pdfшим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция ее распространения (рис. 1.18).
5. Твердость, истираемость и износ
Твердость — свойство материала сопротивляться мест ной пластической деформации, возникающей при внедре нии в него более твердого тела. Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью ми нералами, из которых каждый последующий своим ост рым концом царапает все предыдущие. Эта шкала вклю чает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:
1. |
Тальк 3M g0*4Si02*H20 — легко царапается ногтем. |
2. |
Гипс CaS04*2H20 — царапается ногтем. |
3. |
Кальцит СаСОз — легко царапается стальным ножом. |
4. |
Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 — царапается стальным но |
жом под небольшим нажимом.
5.Апатит Ca5[P 04] 3F — царапается ножом под сильным нажимом.
6.Ортоклаз КгО.АЬОз-бБЮг — царапает стекло.
7. |
Кварц |
SiOs |
1/г? птл\ |
-легко царапают стекло; применяются |
|||
о |
т ппаГ д| |
r |
e |
||||
V |
S l |
l |
l |
O 1 ( ’ |
Ь |
в ячестве абразивных (истираю- |
|
\0. |
Алмаз |
С |
’ |
3 |
|
щих> материалов. |
Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной Шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычис ляют число твердости H B= P/F, где F — площадь по верхности отпечатка.
От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверх ности истирания F, и вычисляют по формуле, г/см2:
И = (mi — m2)/F, |
(1.40) |
где rrt[ я тг — масса образца до истирания и после него. |
|
Сопротивление материала истиранию |
определяют, |
пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевым песком или наждаком). Это свойство важно Для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц и т. п.
Износом называют свойство материала сопротивлять ся одновременному воздействию истирания и ударов, Из
нос определяют на образцах материалов, которые испы тывают во вращающемся барабане со стальными шара ми или без них. Показателем износа является потеря массы пробы материала в результате проведенного ис пытания (% к первоначальной массе).
6. Реологические модели
Реология — наука о деформациях и текучести ве щества, исследующая различные деформации материа лов в зависимости от напряжений. Механические свойст ва материалов моделируют, используя три простых рео логических тела, определяющих три фундаментальных свойства: упругость, пластичность и вязкость.
Моделью упругого материала, подчиняющегося зако ну Гука, служит спиральная пружина (рис. 1.19,а), де формация которой прямо пропорциональна напряжению и не зависит от времени. После снятия нагрузки дефор мация становится равной нулю, следовательно, деформа ция этого упругого твердого тела обратима. Поведение (деформации) упругого тела под нагрузкой определяется одним реологическим параметром — модулем упругости (модулем Юнга), Па:
Е = а /е , |
(1.41) |
и изображается на диаграмме а—е тангенсом угла на клона прямой (рис. 1.19, в).
Модель пластичного тела Сен-Венана представляет собой груз, покоящийся на столе (элемент сухого трения; рис. 1.20). Груз начнет перемещаться, когда напряжение
достигнет предела текучести |
ат, являющегося основной |
|
механической характеристикой пластичных тел. |
|
|
Идеальная (ньютоновская) жидкость подчиняется |
||
уравнению вязкого течения: |
|
|
®вязк “ |
^/*1 > |
(1*42) |
где т — напряжение сдвига, Па; |
t — время, с; т\— вязкость |
Па-с. |
Деформация вязкого течения е Вязк при постоянном на пряжении сдвига возрастает пропорционально времени (рис. 1.21,6). Поведение жидкости моделируют жидкост ным элементом (рис. 1.21,а), в котором поршень пере мещается под действием приложенной силы, при этом жидкость протекает через кольцевой зазор между стен ками цилиндра и поршнем.
Рис. 1.19. Модель идеального (подчиняющегося закону Гука) твердого тела
а — модель-пружина; б — график: упругая деформация — время; в — график:
напряжение — деформация
Рис. 1.20. Модель пластичного тела Сен-Венана (а) и за висимость напряже
ние — деформация
(б)
Рис. 1.21. Модель идеальной (ньюто новской) жидкости
а — жидкостный эле мент; б — график
деформации вязкого течения
О) |
ф |
G |
*
I
ч
о 6Т б Напряжение
*)
*)
Реальные материалы обладают комплексом механиче ских свойств, для моделирования которых прибегают к сочетанию простых моделей, получая сложные реологи ческие модели.
Модель Шведова — Бингама состоит из всех трех
простых тел: пружины, жидкостного элемента и элемен та сухого трения, соединенных последовательно (рис. 1.22). Возрастающее напряжение сначала вызывает упру гую деформацию пружины, затем при достижении пре дела текучести смещается элемент сухого трения, и в ра боту включается жидкостный элемент, а к упругой де формации добавляется деформация вязкого течения. Сле довательно, общая деформация
е |
(а — ат)t |
(1.43) |
|
П |
|||
|
|
||
Напряжение а = а т + л ---- . |
|
||
|
dt |
характери |
|
Таким образом, модель Шведова — Бингама |
зуется тремя реологическими параметрами: £, от и тр Эта модель достаточно универсальна и часто использует ся для описания деформативных свойств жидкообразных материалов и паст (красок, глиняного теста, бетонной смеси и др.), а также твердых материалов (бетона, ме талла) и др. Например, стальной образец — стержень при возрастающем растягивающем напряжении сначала деформируется упруго (см. участок ОА на рис. 1.10), а при достижении предела текучести удлиняется при по стоянном напряжении, как бы «течет» (см. площадку те кучести АВ на рис. 1.10,6). Другой пример: чтобы крас ка не стекала с поверхности стены, нужно придать кра сочному составу достаточный предел текучести; однако при окраске кистью вязкость краски следует по возмож ности снизить, чтобы рука не утомлялась.
Модель Шведова — Бингама используется также при расчете трубного транспорта бетонных смесей (перекач ке бетононасосами) и гидромасс (при намыве земляных плотин).
Поведение материалов, сочетающих упругие и вязкие свойства, можно описать с помощью модели Максвелла, состоящей из последовательно соединенных пружины и элемента (рис. 1.23,а). В первый момент времени t0 со противление создается упругим элементом и возникает упругая деформация еупр, неизменяющаяся при постоян ном напряжении. В период времени от /0 До t\ деформа ция возрастает вследствие вязкого течения (оно модели руется жидкостным элементом, присоединенным к пружине). В момент времени t\ при снятии нагрузки упру гая составляющая деформации равна нулю, но вязкое
смещение еВяэк сохраняется, так как оно необратимо. Следовательно, полная деформация е асфальтобетона, пластика и т. п. содержит упругую и вязкую составляю щую:
8 = вуир -{- 80язк*
В соответствии с законом Гука и приведенной выше формулой для евязк получаем следующее уравнение уп руго-вязкой деформации:
e = a/E + |
at/т|; е = |
ст(1/Е + </г\). |
(1.4f) |
Соответствующий |
график |
приведен на рис. |
1.23,6. |
Примером вязкого течения материала асфальтового по крытия дороги является след шин, вдавившихся в него
в жаркую погоду. При высо |
|
|
|
|
|||
кой температуре вязкое тече |
|
|
|
|
|||
ние проявляется даже у стек |
|
|
|
|
|||
ла, металла и других твер |
|
|
|
|
|||
дых материалов. |
|
|
|
|
|||
|
Модель |
Максвелла дает |
|
|
|
|
|
возможность получить коли |
|
|
|
|
|||
чественную |
|
характеристику |
|
|
|
|
|
скорости релаксационных яв |
|
|
|
|
|||
лений, протекающих в поли |
|
|
|
|
|||
мерных и других строитель |
|
|
|
|
|||
ных материалах. Релаксация |
|
|
|
|
|||
напряжений |
|
— постепенное |
Рис. |
1.22. |
Модель Шведова — Бин |
||
уменьшение |
|
напряжений в |
|||||
|
гама |
|
|
|
|||
материале |
при постоянной |
/ — упругий |
элемент |
Гука: 2 — |
|||
деформации. |
Для модели |
элемент сухого трения (Сен-Вена- |
|||||
на); |
3 — вязкий элемент |
(Ньютона) |
|||||
^ |
б) |
8) |
|
|
|
|
Рис. 1.23. Модель Максвелла |
|
а — упругий (/) и вязкий (2) элементы, расположенные |
последовательно: |
графики: б — деформация — время; в — напряжение — время |
при c^coirst (ре |
лаксация напряжений) |
|
Максвелла полная деформация е равна сумме упругой и вязкой составляющих:
еупр Ч” 8вязк — const.
Следовательно,
deупр |
<&вяэк |
|
a |
dt |
' |
Поскольку
&упр = о/Е, а еВПзн — — at/H,
получим
da |
1 |
dt |
— or/ л , |
Е |
|
откуда |
|
— |
= - ( E / r \ ) d t . |
а |
|
Введем постоянную времени релаксации
тогда
а = а0е 1/х, |
(1.45) |
где 0_ напряжение по прошествии времени /; а0 — первоначальное напряжение.
Из формулы (1.45) видно, что релаксация напряже ния следует экспоненциальному закону (рис. 1.23,в). Скорость релаксации напряжения характеризуется вре менем релаксации — промежутком времени, в течение ко торого напряжение уменьшается в е раз по сравнению с первоначальным (где е — основание натуральных лога рифмов).
Пример (по Ван-Флеку). Для увеличения длины каучуковой лен ты с 10 до 140 мм необходимо приложить напряжение 8,44 МПа. После выдержки ленты в этом положении в течение 42 сут напряже
ние снизилось до 4,22 МПа. Определить: |
1) постоянную времени ре |
|||
лаксации; 2) |
действующее |
напряжение |
после выдержки в течение |
|
90 сут. |
|
|
|
|
Решение. |
1. Согласно |
уравнению |
релаксации |
напряжений |
In <т/(70 = —t/K\ |
1п[4,22/8,441=—42Д. откуда А,=61 сут. |
|
||
2. а0О= 8 ,44<?-9°/fl, = 1,92 МПа. |
|
|
||
Другое решение п. 2 с |
учетом 48 дополнительных |
суток: |
||
|
(т ив = 4,22e_48/61 = 1,92 МПа. |
|
Деформативные свойства материалов зависят от тем пературы. При нагревании они размягчаются и перехо-
бв
б)
Рис. 1.24. Модель вязкоупругости
а — модель деформаций: 1 — упругий элемент; 2 — вязкоупругий элемент (реологическое тело Кельвина); 3 — вязкий элемент; б — реологическая кри
вая развития деформации во времени
дят в пиропластическое (глина, стекло и др.) или кау чукоподобное (линейные полимеры) состояние, затем плавятся и становятся жидкотекучими. Следовательно, в зависимости от температуры материал может проявлять упругие, вязкоупругие и вязкие свойства. Для анализа деформаций материалов в температурном интервале, ох ватывающем эти три состояния, может быть использова на модель, включающая три элемента: 1— упругий; 2— вязкоупругий; 5— вязкий (рис. 1.24,а). Полная деформа ция этой модели равна сумме деформации каждого по следовательно расположенного элемента:
в = ex + ег + е3.
Поскольку каждый элемент модели функционирует раз дельно, он характеризуется своими значениями Е и rj, поэтому
е = o/Ei + а/Е2 О — <г'я‘/ч0 + a t /Щ . |
(1.46) |
На рис. 1.24,6 представлено развитие деформации во времени. После прекращения действия напряжения, на чиная с момента времени tu упругая ei и вязкоупругая е2 составляющие деформации становятся равными нулю, а вязкая деформация е3 необратима.
Долговечность — свойство изделия сохранять работо способность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определя ется степенью разрушения изделия, требованиями безо пасности или экономическими соображениями. Долговеч ность строительных изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкрет ных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности, причем пер вая соответствует сроку службы не менее 100 лет, вто рая— не менее 50 лет, третья — не менее 20 лет. Долго вечность определяется совокупностью физических, меха нических и химических свойств материала. Ее нужно оце нивать применительно к конкретным условиям эксплуа тации.
О долговечности судят, подвергая материал испыта ниям, которые по возможности воспроизводят воздейст вия в натуре. Моделирование воздействий среды в усло виях лабораторных испытаний представляет достаточно сложную задачу. Например, долговечность лакокрасоч ных покрытий устанавливают, применяя специальную ус тановку «погоды» (везерометр), позволяющую подвергать материал чередующимся воздействиям дождевания, об лучения ультрафиолетовыми лучами, действию различ ных температур. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями материалов в виде образцов или непосредственно в сооружениях. Стенды с образцами располагают на крыше здания («крышные» испытания кровельных и отделочных материалов) либо в зоне при лива, и отлива морской воды (бетоны для морских соору жений) и т. п.
Надежность представляет собой общее свойство, ха рактеризующее проявление всех остальных свойств изде лия в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны между собой.
Безотказностью называют свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынуж денных перерывов на ремонт. К показателям безотказно сти относят вероятность безотказной работы. Отказом
называют событие, при котором система, элемент или из делие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря работоспособности вызывается такой неисправ ностью, при которой хотя бы один из основных парамет ров выходит за пределы установленных допусков.
Ремонтопригодность — свойство изделия, характери зующее его приспособленность к восстановлению исправ ности и сохранению заданной технической характерис тики в результате предупреждения, выявления и устране ния отказов. Показателем ремонтопригодности является среднее время ремонта на один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения отказов.
Сохраняемость — свойство изделия сохранять обус ловленные эксплуатационные показатели в течение и пос ле срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость количествен но оценивают временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.
ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Горные породы — главный источник получения строи тельных материалов. Горные породы используют в про мышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганиче ских вяжущих веществ — цементов, извести и гипсовых.
Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей бетонов и растворов. Широко используют природные каменные ма териалы для облицовки зданий и сооружений, устройства полов, лестниц, мощения дорог. СССР по запасам и раз нообразию горных пород не имеет себе равных. Изыска ния, проведенные в больших масштабах за годы Совет ской власти, дают полное представление о запасах и ге ографическом размещении минерального сырья.
Горные породы — это природные образования более или менее определенного состава и строения, образую щие в земной коре самостоятельные геологические тела.
Минералами называют однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной
породы. Большинство минералов —твердые тела, иногда встречаются жидкие (самородная ртуть).
В зависимости от условий формирования горные по роды делят на три генетические группы: 1) магматиче ские породы, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания магмы; 2) осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов вывет ривания и разрушения различных горных пород; 3) мета морфические породы, являющиеся продуктом перекри сталлизации и приспособления горных пород к изменив шимся в земной коре физико-химическим условиям.
§ 2. МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Магматические горные породы слагают большую часть земной коры. Земная кора является наиболее неод нородной геосферой, она имеет три слоя: нижний — ба зальтовый; выше его — гранитный, и верхний сравни тельно тонкий чехол осадочных пород (рис. 2.1). Базаль товый слой коры состоит из пород основного состава, в пределах океанов его верхняя часть доступна непосредст венному изучению. Гранитный слой сложен преимущест венно породами кислого состава и различными метамор фическими породами.
В зависимости от условий образования выделяют две главные группы магматических пород — глубинные (ин трузивные) и излившиеся (эффузивные). Глубинные по-
/глг
Рис. 2.1. Схема строения земной коры
/ — осадочный чехол; 2 — граничный слой; 3 — базальтовый слой; 4 — верхняя мантия перндотитового состава; 5 — верхняя мантия эклогитового (гранитпо-
пироксенового) состава; цифры обозначают среднюю толщину слоя в км