1.3. Фізико-механічні властивості

Будівельні матеріали в будівлях і спорудах зазнають дії різних зовнішніх сил та інших факторів, які можуть призвести до появи тріщин, зміни початкової форми без зміни структури, падіння

міцності та Інших явищ, пов'язаних з фізико-механічними власти­востями.

Міцність — це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню від внутрішніх напружень, що виникають під дією різних зовнішніх на­вантажень. У процесі експлуатації будівель і споруд будівельні ма­теріали найчастіше зазнають напружень стиску, вигину, розтягу, зрі­зу та удару.

Будівельні матеріали по-різному сприймають різні навантаження. Це залежить від хімічного та мінералогічного складів матеріалу, струк­тури й будови. Так, природні й кам'яні матеріали, цегла, бетон тощо добре працюють на стиск, але погано на розтяг і вигин. При розтягу вони витримують навантаження в 10—15 разів менше, ніж при стиску. Тому такі матеріали застосовують переважно в конструкціях, які пра­цюють здебільшого на стиск (колони, стіни). Матеріали з волокнисти­ми наповнювачами мають підвищену міцність при вигині, показник якої порівняно з міцністю при стиску нижчий усього лише в 1,5—3 ра­зи (наприклад, азбестоцементні покрівельні вироби).

Ряд будівельних матеріалів, наприклад, деревина, сталь, деякі по­лімери (склопластики), добре працюють на стиск і вигин, а тому застосовуються в таких несучих конструкціях, як балки, ферми, труби.

Міцність будівельних матеріалів характеризується границею міцності при стиску, вигині тощо. Вона чисельно дорівнює на­пруженню в матеріалі, яке відповідає навантаженню, що призвело до руйнування зразка. Границя міцності для різних видів навантажень вимірюється в мегапаскалях (МПа).

Границю міцності при осьовому стиску /?_ст визначають звичайно на зразках у формі кубиків, циліндрів, призм, а також на натурних зраз­ках (керамічне порожнисте каміння). Під час випробування зразків матеріалу у формі кубиків на показник міцності в багатьох випадках впливає їхній розмір (міцність малих кубиків вища, ніж великих). Для щільних, важких матеріалів (гірські породи тощо) застосовують невеликі зразки: для легких, пористих, а також для неоднорідних за будовою — зразки кубиків великих розмірів.

Оскільки будівельні матеріали неоднорідні, то границя міцності ви­значається як середній результат випробування серії зразків (не мен­ше трьох). Зразки будівельних матеріалів випробовують, як правило, на спеціальних пресах до руйнування, а границю міцності при стиску, МПа, обчислюють за формулою

Іде Р — руйнівне навантаження (сила), МН; Р — площа поперечного перерізу зразка до випробування, м². Міцність матеріалу визначають у сухому стані.

Границя міцності при стиску для різних будівельних матеріалів може набувати значень від 0,5 до 1000 МПа. Числове значення грани­ці міцності при стиску для багатьох матеріалів є підставою для вста­новлення їхньої марки або класу — найважливіших показників яко­сті матеріалу.

Міцність матеріалу одного виду (наприклад, цегли) залежить від його середньої густини й буде тим більшою, чим вищий цей показник. На міцність матеріалу впливає також ступінь насиченості його водою.

Внаслідок зволоження міцність багатьох будівельних

матеріалів знижується. Щоб оцінити порівняльність ефективність матеріалів, використовують коефіцієнт конструктивної якості - МПа, який харак-

теризується відношенням границі міцності при стиску або розтягу до відносної густини:

—границя міцності,

МІ 1а; а — відносна густина.

Найефективнішими є матеріали, які поєднують у собі легкість і міц­ність. Наприклад, усереднений /С_к._я становить: для цегли — 11 МПа, важкого бетону — 21, сталі — 52, сосни — 95, СВАМ (різновид скло-пластика) — 225 МПа. Чим вищий К_к._я, тим ефективніший конструк­ційний матеріал.

Показники міцності деяких будівельних матеріалів наведено в табл. 1.3.

Границю міцності при вигині К_в визначають на зразках у вигляді балочок квадратного чи прямокутного перерізу розмірами, установ­леними відповідними стандартами, а також на натурних зразках* (цег­ла, черепиця, азбестоцементні листи тощо).

Випробування на вигин виконують за схемою балки, встановле­ної на двох опорах при зосередженому навантаженні, прикладеному симетрично відносно осі балки, до її руйнування. Границя міцності при вигині, МПа:

якщо навантаження зосереджене й прикладене в центрі, то

якщо два навантаження прикладені симетрично відносно осі бал­ки, то

де Р — руйнівне навантаження, МН; / — відстань між опорами, м-Ь, п — відповідно ширина й висота поперечного перерізу зразка, м; а — відстань між точками прикладання двох навантажень, м.

Якщо випробовується балка на двох опорах, то у верхній частині вона зазнає стиску, а в нижній — розтягу. Оскільки границя міцнос­ті при розтягу, як правило, менша за границю міцності при стиску, та саме в нижній зоні з'являються тріщини й починається руйнування матеріалу при вигині.

Границю міцності при осьовому розтягу Р_р0зі визначають за допо­могою спеціальних приладів та машин, застосовуючи виготовлені з випробовуваного матеріалу зразки встановленої форми й розмірів (призм, круглих стержнів, стержнів прямокутного перерізу, вісімок* омуг), залежно від виду будівельного матеріалу. Зразки закріплюють, у захватах приладів і піддають розтягу до моменту розриву.

Для кам'яних матеріалів, металів, деревини та інших матеріалів границя міцності при розтягу, МПа,

де Р — руйнівне навантаження, МН; Р — площа перерізу зразка » найтоншому місці до випробування, м².

Для рулонних матеріалів міцність оцінюють руйнівною силою, для бітумів визначають розтяжність у сантиметрах у момент розриву.

Під час експлуатації в спорудах допускаються напруження, знач­но нижчі за границю міцності матеріалів, тобто передбачається запас міцності г, який може перевищувати її границю в два, три та більше разів. Визначаючи запас міцності, враховують неоднорідність матеріа- _к \ лів, можливість їх деформації раніше, ніж буде досягнуто границі міцності, появу тріщин, вплив навколишнього середовища тощо.

При визначенні міцності будівельних матеріалів крім руйнівних: методів можна застосовувати також адеструктивні (неруйнівні) методи.

Твердість — це здатність матеріалу чинити опір місцевим дефор­маціям, які виникають тоді, коли в нього проникають інші, твердіші тіла. Твердість матеріалів не завжди відповідає їхній міцності, тобто» при різній міцності твердість їх може бути однаковою.

Твердість металів, бетону, деревини та деяких інших матеріалів; визначають, вдавлюючи в зразки з певним зусиллям сталеву кульку або наконечник (конус, піраміду). Ступінь твердості встановлюють в і величиною відбитка. Число твердості за Брінеллем (НВ) визнача­ють відношенням прикладеного навантаження Рдо площі поверхні від­битка Р і обчислюють за формулою, МПа,

Ступінь твердості мінералів і гірських порід визначають за шкалою порівняльної твердості Мооса, яка складається з десяти мінералів-ета-лонів: тальк — 1; гіпс — 2; кальцит — 3; плавиковий шпат — 4; апа­тит—5; ортоклаз —6; кварц — 7; топаз —8; корунд —9; алмаз— 10.

СтираністьСт — це здатність матеріалу зменшуватися за масою • й об'ємом при спільній дії абразивного матеріалу (кварцовий пісок, наждак) та стиральних зусиль. Стираність залежить від твердості ма­теріалу, характеризується втратою маси на одиницю площі стираної поверхні матеріалу й визначається за фрмулою, кг/м²,

Ст = (т_х — ш₂)/Р, дз т_х[т_% — маси зразка відповідно до й після стирання, кг; Р — пло­ща стираної поверхні, м².

Показник стираності має вирішальне значення під час вибору ма­теріалів для підлог, дорожніх покриттів тощо.

Значення стираності деяких будівельних матеріалів, кг/м²: квар­цит — 0,6...1,2; граніт — 1...5; клінкерна цегла —2,2...4,3; кераміч­ні плитки для підлог — 2,5...3,0; вапняк — 3...8; цементний розчин — 6...І£.

Опір удару (або ударна в'язкість) К_УА — це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією ударних навантажень. Природні й штучні кам'яні матеріали, які застосовують для влаштування доріг, лідлог, фундаментів під молоти, зазнають у процесі експлуатації удар­них впливів.

Опір удару, або динамічна міцність, #_уд, Дж/м³, характеризується .роботою, затраченою на руйнування зразка матеріалу й віднесеною до одиниці об'єму матеріалу, і обчислюється за формулою

Я_уд = гіф/У, де п — число ударів; ц — вага гирі, Н; Н — висота її падіння, м; V — об'єм зразка, м³.

Ударна в'язкість металів визначається роботою, затраченою для ; ударного злому й віднесеною до робочої площі поперечного перерізу :Р зразка (як правило, у місці надрізу). Ударну в'язкість, Дж/м², ви­значають звичайно для зразків металів на маятникових копрах і за формулою

Опір зношуванню визначають переважно для дорожніх матеріа­лів, а також матеріалів для підлог, які в процесі експлуатації зазна­ють одночасної дії стирання та ударів.

Зношування визначають у спеціальних барабанах з кулями за втра­тою маси завантаженого в прилад матеріалу.

Деформативні властивості. У будівельних кострукціях матеріа­ли під дією зовнішніх сил зазнають деформації. До основних деформа-тивних властивостей належать пружність, пластичність, крихкість тощо.

Пружність — це здатність твердого тіла деформуватися ггд дією зовнішніх сил і самочинно відновлювати початкову форму та оС'<-ем, коли припиняється дія навантаження. Початкова форма може від­новлюватися повністю або частково (коли навантаження великі). Пруж­ну деформацію, яка повністю зникає із зняттям зовнішніх сил, нази­вають оборотною. Якщо форма відновлюється частково, то у матеріалі є залишкові деформації. Для деяких високоеластичних матеріалів (ела-стоміри), наприклад каучуку, пружна деформація може перевищува­ти 100 % через розрив зв'язків уже випрямлених молекул, тобто об'єм [ матеріалу після зняття навантаження може бути більшим за почат­ковий.

Границя пружності — це те найбільше напруження, при якому залишкові деформації мають найменше (допустиме за нормами) зна­чення, тобто матеріал практично зазнає оборотних пружних дефор­мацій.

Модуль пружності Е, МПа, характеризує жорсткість матеріалу, тобто здатність його деформуватися під дією зовнішніх сил. Чим ви­ще енергія міжатомних зв'язків у матеріалі, тим менше схильний він до деформацій і тим вищий його модуль пружності. Наприклад, для заліза Е = 21,1 • 10^-4, для алюмінію—7 • 10~⁴, для свинцю — 1,5- 10^-4, для полістиролу — 0,3 • 10^-4, для каучуку — 0,007 X X 10~⁴ МПа.

Для будівельних матеріалів характерне крихке й пластичне руй­нування.

Пластичність — це здатність матеріалу під дією зовнішніх сил змінювати свою форму й розміри без руйнування й зберігати спо­творену форму й тоді, коли навантаження знято. Такі пластичні (за­лишкові) деформації називають необоротними. Пластичність деяких будівельних матеріалів змінюється під дією температури: при нагрі­ванні — підвищується, при охолодженні — знижується. До таких матеріалів належать бітуми, деякі сорти сталі й ряд полімерних мате­ріалів. Пластичність істотно впливає на технологію виробництва, якість матеріалів та їхні експлуатаційні властивості.

Крихкість — це здатність матеріалів під впливом зовнішніх навантажень руйнуватися без попередніх пластичних деформацій, тільки-но зусилля, що діють на них, досягають граничних (руйнів­них) значень. Ця властивість протилежна пластичності. Для крихких матеріалів характерні слабкий опір ударним навантаженням, а також иі'ликий розрив показників границі міцності при стиску та розтягу. І Іаприклад, для щільних і міцних кам'яних (природних) матеріалів Д'іюіт = (1 /40... 1 /60) і?ст- До крихких матеріалів належать також скло, чавун, бетон і деякі полімерні матеріали.

Крихкість і пластичність будівельних матеріалів можуть зміню-н.'ітнся не лише під дією температури, а й із зміною вологості та швид-

кості наростання навантаження, що діє на них. Наприклад, глина в сухому стані крихка, а в зволоженому (глиняне тісто) — пластична. Повзучість — це здатність матеріалу при тривалому наван­тажуванні виявляти недружні деформації, які наростають. Для дея­ких матеріалів (бетону, гіпсових, азбестоцементних виробів тощо) ця здатність спостерігається при звичайних температурах, для металів — при підвищених.

Утома — це властивість матеріалу при тривалих змінних на­вантаженнях виявляти «утомленість» і руйнуватися при напруженнях, значно менших, ніж границя міцності.

Релаксація характеризується падінням напруження в ма­теріалі при сталій деформації, що зумовлюється поступовим перехо­дом пружної деформації в пластичну.

Будівельні матеріали залежно від своїх деформаційних властивос­тей можуть бути пружними, пластичними, крихкими та еластичними.

Наука, яка досліджує різні деформації залежно від напруження, називається реологією.