Плотность, кг/м

Рис .1.8. Зависимость теплопроводности неорганических материалов от плотности:

1 — сухие материалы; 2 и 3 — воздушно-сухие материалы с разной влаж­ностью; 4 — материалы, насыщенные водой

Точное значение λ определяют для данного материала экспериментально.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его тепло­проводность, так как теплопроводность воды [0,58 Вт/(м^-0С)] в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает λ, так как теп­лопроводность инея равна 0,1, а льда — 2,3 Вт/(м^,0С), т.е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теплопроводность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается. Показатели теплопро­водности для некоторых материалов приведены в табл. 1.1.

Теплоемкость — это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять тепло при остывании; опреде­ляется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теп­лоемкость стали — 0,48 кДж/(кг°С), неорганических строитель­ных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных мате­риалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДж/(кг °С). Теп­лоемкость сухих органических материалов (например, древесины) — около 2,39-2,72 кДж/(кг °С), вода имеет наибольшую тепло­емкость -4,19 кДж/(кг °С), поэтому с повышением влажности мате­риалов их теплоемкость возрастает.

Показатели теплоемкости разных материалов нужны для тепло­технических расчетов.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не размягча­ясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.

Огнестойкость — свойство материала сопротивляться дейст­вию огня при пожаре в течение определенного времени. Она зависит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспламеняться и гореть.

Несгораемые материалы — это бетон и другие материалы на минеральных вяжущих, кирпич керамический, сталь и др.

Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые ма­териалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформи­руются (металлы) при температуре начиная с 600 °С. Поэтому кон­струкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или высо­кой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их го­рение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная антипи­ренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты).

Сгораемые органические материалы, которые горят открытым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко использу­ют конструктивные меры, исключающие непосредственное воздей­ствие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества — антипирены.

6) Механические свойства материалов (прочность, ударная вязкость, твердость, истираемость и др.). Способы определения, взаимосвязь со структурой материалов.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость, износ.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок. Под воздействием различных нагрузок материалы в зданиях и сооружениях испытывают различные внутренние напряжения (сжатие, растяжение, изгиб, срез и др.). Прочность является основным свойством большинства строительных материалов, от ее значения зависит величина нагрузки, которую может воспринимать данный элемент при заданном сечении.

Строительные материалы в зависимости от происхождения и структуры по-разному противостоят различным напряжениям. Так, материалы минерального происхождения (природные камни, кирпич, бетон и др.) хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже срезу и еще хуже растяжению, поэтому их используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Другие строительные материалы (металл, древесина) хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их с успехом применяют в различных конструкциях (балки, фермы и т.п.), работающих на изгиб.

Прочность строительных материалов обычно характеризуют маркой, которая соответствует по величине пределу прочности при сжатии, полученному при испыта-

Хрупкость -- свойство материала мгновенно разрушаться под действием внешних сил без предварительной деформации. К хрупким материалам относят природные камни, керамические материалы, стекло, чугун, бетон и т. п.

Сопротивлением удару называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок. В процессе эксплуатации зданий и сооружений материалы в некоторых конструкциях подвергаются динамическим (ударным) нагрузкам, например в фундаментах кузнечных молотов, бункерах, дорожных покрытиях. Плохо сопротивляются ударным нагрузкам хрупкие материалы. Твердость -- свойство материала сопротивляться прониканию в него другого материала, более твердого. Это свойство имеет большое значение для материалов, используемых в полах и дорожных покрытиях. Кроме того, твердость материала влияет на трудоемкость его обработки.

Существует несколько способов определения твердости материалов. Твердость древесины, бетона определяют, вдавливая в образцы стальной шарик. О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика или по диаметру полученного отпечатка. Твердость природных каменных материалов определяют по шкале твердости (метод Бооса), в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину), на предыдущем, а сам им не прочерчивается (табл. 3). Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам оставляет черту (царапину) на плавиковом шпате, то его твердость соответствует 4,5.

Истираемость -- свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. От истираемости зависит возможность применения материала для устройства полов, ступеней, лестниц, троту-9ров и дорог. Истнраемость материалов определяют в лабораториях на специальных машинах -- кругах истирания.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Упругость -- свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки первоначальные форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал еще обладает упругостью, называется пределом упругости. Упругость является положительным свойством строительных материалов. В качестве примера упругих материалов можно назвать резину, сталь, древесину.

Пластичность -- способность материала изменять под нагрузкой форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости. Примером пластичного материала служат свинец, глиняное тесто, нагретый битум.

Ударной вязкостью (динамической или ударной прочностью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, за­траченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к еди­нице объема (Дж/м³) или площади поперечного сечения образца (Дж/м²). Сопротивление удару важно для материалов, используемых при устройстве фундаментов машин, полов промышленных зданий, дорожных покрытий и т. п.

Механика разрушения

Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойство материала разрушаться «внезапно», не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам.

Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествуют изменение формы и большая деформация.

Большинство материалов при понижении температуры становятся хрупкими. У них наблюдается переход от пластического вида разрушения к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др.

Хрупкое разрушение происходит в ре­зультате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке.

Трещина (как и надрез) вызывает концен­трацию напряжений около ее вершины (рис.

1.15). В этом месте напряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из простого уменьшения площади поперечного сечения.

Рис. 1.15. Концен­трация напряжений в пластине с трещиной

Твердость, истираемость, износ

Твердостью называют свойство материала сопротивляться про­никновению в него другого более твердого тела. Твердость природ­ных каменных материалов оценивают шкалой Мооса, представлен­ной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает ми­нералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:

1. Тальк Mg3 [Si4O₁₀][OH]2 — легко царапается ногтем.

2. Гипс CaSО4*2H20 — царапается ногтем.

3. Кальцит СаСО3 — легко царапается стальным ножом.

4. Флюорит (плавиковый шпат) CaF2 — царапается стальным ножом под небольшим нажимом.

5. Апатит Ca5[PО₄]3F — царапается ножом под сильным нажи­мом.

Ортоклаз K[AlSi3О8] Кварц SiО2 Топаз Al2[SiО4][F, ОH]2 Корунд А12О3 Алмаз С

— легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) 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 вычисляют число твердости НВ = Р/F, где F — площадь поверхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания, и вы­числяют по формуле (г/см²)

И = (т1 -m2)/F, (1.43)

где m₁ и т2 — масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварце­выми песком и наждаком). Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестницы и т.п.

Износом называют свойство материала сопротивляться одно­временному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся бара­бане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенного испыта­ния (в % от первоначальной массы).