Механічні властивості

Механічні властивості характеризують здатність матеріалу чинити опір дії зовнішніх механічних сил, які викликають в ньому стискання, розтягнення, вигин, розрізання, скручування, стирання.

Основні механічні властивості будівельних матеріалів: міцність, деформативність (пружність, пластичність), твердість, зносостійкість.

Міцність - здатність матеріалу чинити опір, не руйнуватися під дією внутрішніх напружень, що виникають від зовнішніх навантажень та інших (наприклад, температурних) факторів. Міцність матеріалів звичайно характеризується межею міцності при стисканні, розтягуванні, вигині, зрізі тощо. Межею міцності- називають напруження, що відповідає навантаженню, що руйнує зразок матеріалу, який досліджується.

Межа міцності (напруження Р в МПа) при стисканні чи розтягуванні обчислюється межею максимального навантаження, що руйнує зразок матеріалу (Р, н), на площу поперечного перерізу (S, м²):

Rст. =P/S, МПа

Практично його визначають навантаженням стандартних зразків матеріалу до руйнування на спеціальних пресах або розривних машинах та обчислюють за вище наведеною формулою. Кам'яні матеріали добре працюють при стисненні та значно гірше чинять опір розтяжним навантаженням. При розтягуванні вони витримують навантаження в 10-15 разів менше ніж при стисканні. Бетон при стисненні витримує навантаження в 5-6 разів більше ніж при розтяжних навантаженнях. Дерево вздовж волокон краще чинить опір розтягненню ніж стисненню. Межа міцності при стисненні більшості будівельних матеріалів коливається в широких межах: від 0,5 МПа(торфоплити) до 100 МПа (спеціальні сталі).

Багато матеріалів, що приймають на себе в конструкціях згинальні навантаження, досліджуються на вигин. У більшості будівельних матеріалів (за винятком деревини, полімерних матеріалів та сталі) межа міцності при згинанні значно нижча ніж при стисненні.

Матеріал	Межа міцності, МПа
	на стиснення	на розтягнення	на вигин
Граніт	137-176	-	-
Цегла керамічна	7,5-30	-	1,7-4,5
Бетон на цементній основі	10-60	2-12
Плити гіпсокартонні	18-50		3-7
Сосна (вздовж волокон)	30-45	115	80
Дуб (вздовж волокон)	40-50	175	90
Сталь вуглецева Ст.3	359-450	350-450

Значення межі міцності деяких будівельних матеріалів наведені в таблиці.

Найбільш ефективними є матеріали, що мають найменшу густину та найбільш високу міцність.

Межу міцності будівельних матеріалів в лабораторії визначають шляхом виготовлення відповідних, передбачених державним стандартом, зразків та навантаженням їх до руйнування. Однак зараз все ширше використовують нові методи дослідження показників міцності матеріалів, виробів, конструкцій без їх руйнування. Як конструкція в цілому, так і матеріали, з яких вона складається,під впливом зовнішніх сил можуть змінювати свої розміри та форму, тобто деформуватися.

Деформації можуть бути зворотні, що зникають після закінчення дії сили, та неповоротні (остаточні), коли форма та розміри матеріалу не відновлюються після зняття навантаження. До числа зворотніх деформацій відносяться пружні, зникаючі миттєво після зняття навантаження, та еластичні, що зникають протягом певного часу. До неповоротних відносять пластичні деформації; в умовах складного навантаження можуть виникнути складні пружно-пластичні деформації.

Твердість - здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого матеріалу; її визначають різними методами. Твердість деревини, сталі, бетону, будівельних розчинів та пластмас визначають шляхом вдавлення сталевої кулі при певному навантаженні та часі занурювання. Твердість крихких матеріалів визначають методом нанесення подряпин за шкалою Мооса, де в якості еталонів прийнята твердість наступних матеріалів: 1-тальк, 2-гіпс, 3-кальцит, 4-флюорит, 5-апатит, 6-ортоклаз, 7-кварц, 8-топаз, 9-корунд, 10-алмаз.

Крихкість - властивість матеріалів миттєво руйнуватись під тиском зовнішніх сил без помітної пластичної деформації. Крихкі матеріали погано протистоять ударним навантаженням. Для них характерна значна різниця між межами міцності при стисненні та розтягненні. Опір до руйнування вимірюється в залежності від температури, швидкості навантаження, вологості.

Стирання - руйнування матеріалу при терті по поверхні іншого матеріалу. Показником стирання є втрата маси, віднесена до площі зразка після визначеного впливу зусиль стирання на спеціальних приладах - кругах стирання. Стирання С(г/см) може бути визначено за формулою:

С = m1-m2/S; г/

де m 1- маса зразка матеріалу до стирання, г;

m 2- маса зразка після стирання, г;

S - площа стирання, .

Здатність чинити опір стиранню має велике значення при виборі матеріалу для підлог, сходів, дорожніх покриттів тощо.

Опір удару - здатність матеріалу чинити опір ударній дії, що характеризується роботою, яка витрачена на руйнування стандартного зразка в Дж і віднесена до одиниці його об'єму - м³. Опір удару має велике значення для багатьох конструкцій (дорожні покриття, система скріпленої зовнішньої теплоізоляції тощо). Цей показник визначається на спеціальних маятникових копрах і вимірюється в Дж/ . Існують інші, передбачені стандартом, методи випробовування матеріалу на опір удару.

Зношення - руйнування матеріалу при одночасній дії стирання та удару. Показником зношення є втрата маси (у відсотках) зразка матеріалу після випробовування на зношення в стандартному поличному барабані.

Структурна міцність - пластично-в'язкі розчинові суміші, мастики тощо на відміну від рідини при малих навантаженнях поводяться, як тверді тіла. Якщо підвищувати навантаження, то при досягненні певних напружень у матеріалі, які називаються граничними напруженнями зміщення, що характеризують структурну міцність, матеріал починає текти подібно рідині. Причина цього в тому, що при вказаних навантаженнях у матеріалі руйнуються внутрішні зв'язки між його частками - руйнується його структура.

Тиксотропія. Багато пластично-в'язких сумішей мають властивості зворотно відбудовувати свою структуру, що зруйнована механічними діями. Фізична основа тиксотропії - руйнування внутрішніх структурних зв'язків пластично-в'язкого матеріалу. При цьому матеріал втрачає структурну міцність та перетворюється у в'язку рідину. Явище тиксотропії використовують при ущільненні вібрацією бетонних та розчинових сумішей і при нанесенні мастик та фарб, розчинових сумішей пензлем або шпателем. В остатньому випадку матеріал під впливом шпателя (пензля) тече, рівномірно розподіляється по поверхні, а коли інструмент закінчує свою дію, матеріал знову відновлює структурну міцність і, наприклад, будучи нанесеним на вертикальну поверхню, не стікає з неї.