книги из ГПНТБ / Александровский А.В. Материаловедение для штукатуров, плиточников, мозаичников учебник
.pdfЧтобы рассчитать предел прочности при растяжении 7?раст, сле дует величину разрушающей силы РМак разделить на первоначаль ную площадь сечения образца Fq:
ЯРас т = - ~ - кгс/см?.
Предел прочности определяют в лабораториях на прессах или разрывных машинах. Величины пределов прочности при сжатии и растяжении у различных материалов колеблются в широких пре делах (табл. 2).
Т а б л и ц а 2
Пределы прочности некоторых материалов |
при сжатии |
|
и растяжении |
|
|
|
Предел прочности. кгс/смг |
|
Материалы |
|
при растяже |
|
при сжатии |
|
|
нии |
|
Бетон ...................................... |
25—800 |
3-30 |
Кирпич глиняный обыкновен |
75—200 |
|
ный ..................................... |
20-45 |
|
Гранит ..................................... |
1000—2500 |
|
Сталь строительная ............... |
2300—6000 |
Более 4500 |
Сосна (вдоль волокон) . . . |
300 |
550 |
Опыт показывает, что чем больше деформации, тем больше на пряжение в материале, или иначе
о= Ч‘Е.
Эта зависимость называется законом Гука, а коэффициент про порциональности Е — модулем упругости Юнга. Модуль упругости равен
Е = — кгс/см2
8
и характеризует способность материала сопротивляться деформа циям. Для получения одинаковых деформаций к материалу с боль шим модулем упругости надо приложить большие усилия, а с мень шим модулем — меньшие.
Для большинства материалов модуль упругости при сравнитель но небольших деформациях сохраняет свое значение, но при де формациях, близких к критическим, изменяет свою величину с ростом деформаций. Модули упругости некоторых материалов при ведены в табл. 3.
Когда мы знакомились с нормальными напряжениями при сжа тии и растяжении, нами было допущено предположение, что кон такты между отдельными частицами материала в сечении и пере дача внутренних усилий происходят по плоскости, перпендикуляр-
20
Т аблица 3
Значения модуля упругости некоторых материалов
|
Материал |
Е, kscJcm* |
С тал ь.................................................... |
вдоль волокна |
2.10е—2,2-10е |
Древесина |
1-106 |
|
« |
поперек волокна............... |
5-103 |
Б ето н .................................................... |
|
1.106—з.ю* |
Кирпичная кладка .............................. |
3-104 |
ной действию внешних сил. Это было бы справедливо, если бы тело было однородно в каждой его точке. Однако известно, что подав ляющее число строительных материалов не удовлетворяет этому требованию. Раствор и бетон состоят из отдельных более или менее крупных зерен заполнителя и прослоек цементного камня, в состав которых в свою очередь входит большое число различных минера лов. Сталь также представляет собой сочетание кристаллов различ ных соединений железа с углеродом и другими химическими эле ментами. Поэтому передача внутренних усилий от одной части сечения к другой в различных его точках не происходит по плоско сти, перпендикулярной действию внешних сил. В этом случае сила Р, действующая на образец (рис. 1,б), разложится на две состав ляющие: нормальную N и касательную Т. По правилу параллело грамма сил
Л /=Р cosa и Т= Р sin а,
где а — угол между плоскостью передачи усилия и плоскостью, перпендикулярной направлению внешней силы.
Нормальные напряжения появляются в результате действия силы N. а сила Т вызовет появление касательных напряжений, обозначаемых греческой буквой т (тау).
Опыт показывает, что величина касательных напряжений дости гает максимума на площадках, расположенных под углом 45° к линии действия силы. Это находит свое подтверждение и в том, что при испытании на сжатие образцов из камневидных материа лов, в том числе строительного раствора и бетона, разрушение образца происходит по плоскостям, наклонным к действию силы.
Выше мы познакомились с деформациями и нормальными и ка сательными напряжениями при сжатии и растяжении; теперь по знакомимся с деформациями сдвига и касательными напряжениями при сдвиге.
Представим себе толстый короткий брус, заделанный одним
концом в |
стену, |
а на другой конец которого действует сила Р |
(рис. 2, а). |
Для |
наглядности представим, что брус состоит из вер |
тикально расположенных пластинок и при действии силы Р каж дая пластина сдвигается относительно смежной (рис. 2, б).
Под действием силы Р грань БД бруса займет положение В'Д'. Величину ВВ' назовем абсолютным сдвигом. Разделив величину
21
абсолютного сдвига на расстояние от заделки до сечения ВД, по лучим относительный сдвиг.
в В’ = tgy«Y>
АВ
так как угол у очень мал.
I-I
|
I |
|
,, Р |
|
|
I |
|
* |
|
|
t |
tr |
t |
|
L |
t |
t |
t |
|
|
|
|
||
|
$ |
|
|
|
|
|
б) |
Ю |
|
|
Рис. 2. Сдвиг: |
|
|
|
о — бруса, |
6 — модель, иллюстрирующая |
сдоиг слоев в брусе, |
в — равно- |
|
весне поперечного сечения бруса под |
действием сдвигающей |
силы |
Р и |
|
|
внутренних касательных напряжений |
|
|
Для определения внутренних сил при сдвиге опять воспользу емся методом сечений.
Рассечем брус по / —/ (рис. 2, а) и отбросим левую часть. Заме ним действие отброшенной части внутренними силами. Эти силы будут расположены в плоскости сечения (рис. 2, в), так как для уравновешивания силы Р необходимо действие также вертикаль ной, но противоположно направленной силы. Из условия равнове сия следует
т Е - Р ,
откуда
т = —- кгс]смг.
Зависимость между касательными напряжениями (т) и относи тельным сдвигом (у) подобна зависимости между нормальными напряжениями (о) и относительной деформацией (в):
T=*Gy,
где G — модуль сдвига, кгс/см2.
Напряжения сдвига возникают, например, между облицовкой из керамических плиток и слоем раствора, на который они поло жены, при колебаниях температуры из-за различных значений коэффициента линейного расширения и явления усадки раствора.
Ознакомившись с сжатием, растяжением и сдвигом, мы можем перейти к деформациям и напряжениям, возникающим при изгибе.
На рис. 3, а схематически показана балка, лежащая на двух опорах. Если на боковую ее стенку нанести сетку и нагрузить ее
22
сверху, то она прогнется (рис. 3,6). ,При этом можно заметить, что продольные (на рисунке горизонтальные) прямые линии станут кривыми, поперечные же останутся прямыми, хотя и повернутся
одна относительно другой. |
|
|
|
|
|
||
Измерением можно установить, что |
|
|
|
||||
на выпуклой стороне расстояния меж |
|
|
|
||||
ду поперечными линиями |
сетки у де |
|
|
|
|||
формированного бруса увеличились, а |
|
|
|
||||
на вогнутой (верхней) стороне они |
|
|
|
||||
уменьшились. Вывод из этого такой: |
|
|
|
||||
наибольшие деформации, а следова |
|
|
|
||||
тельно, и нормальные напряжения, ис |
|
|
|
||||
пытывают крайние волокна (растяже |
|
|
|
||||
ния — нижние и сжатия — верхние), а |
|
|
|
||||
посередине находится слой, где |
рас |
|
|
|
|||
стояние между линиями остается неиз |
|
|
|
||||
менным (деформации отсутствуют) и |
|
|
|
||||
нормальные напряжения |
равны |
нулю |
|
|
6) |
||
'(нейтральный слой). |
|
|
|
|
|
||
Для балки прямоугольного сечения |
Рис. 3." Деформации и на |
||||||
наибольшие |
нормальные |
напряжения |
|||||
определяют по формулам: |
|
|
пряжения |
при изгибе |
|||
при одном сосредоточенном |
грузе |
|
стержня: |
||||
а — модель |
в |
ненагруженном |
|||||
посередине образца |
|
|
|
состоянии, |
б — модель в сосюя- |
||
Цц= ± — '1- |
кгс/см2; |
|
|
|
|
||
|
2bh* |
1 |
|
|
|
|
|
при двух равных грузах, расположенных симметрично, |
|||||||
|
|
|
3Р (1 — а) |
, „ |
|
|
|
|
|
° н = ± --- туг-— кгссм?, |
|
|
|||
|
|
|
bh2 |
|
|
|
|
где Р — груз, |
кгс; / —-расстояние |
между |
опорами, |
см; h — высота |
|||
поперечного |
сечения, |
см; |
b — ширина |
поперечного сечения, см; |
|||
а — расстояние между грузами, см. |
|
|
|
Обратим внимание еще на одно обстоятельство. Повторим наш опыт с линейкой, но возьмем две линейки одинаковой длины, кото рые положим одну на другую. Если на верхнюю положим груз, то увидим, что на торцах появились ступеньки. Отсюда вывод: верхняя плоскость нижней линейки сместилась относительно ниж ней плоскости верхней линейки. В целой балке такого смещения нет, следовательно в ней возникают внутренние силы, препятствую щие такому смещению, или касательные напряжения сдвига. Наи большая величина этого касательного напряжения будет у ней трального слоя, где деформации сжатия переходят в деформации растяжения (меняют знак), у крайних волокон (верхнего и нижне го) они равны нулю.
Опытом установлено, что кроме касательных напряжений, дейст вующих вдоль балки, находящейся в состоянии изгиба, в ней возни
23
кают касательные напряжения, действующие в плоскости попереч ного сечения. Таким образом, материал тела, подвергающегося
изгибу, находится в |
сложном напряженном |
состоянии |
(сжатия, |
|
растяжения и сдвига). |
строительных материалов характеризуют |
|||
Иногда |
прочность |
|||
ма р к о й . |
Последняя |
определяется пределом |
прочности |
при сжа |
тии, а иногда при сжатии и изгибе, полученным при испытании образцов стандартной формы и размеров. Для строительных мате риалов, получаемых с использованием неорганических вяжущих веществ, марку определяют в возрасте, предусмотренном ГОСТ.
Для каменных материалов установлены марки: 4, 7, 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 800 и 1000. Например, мате риал марки 150 имеет предел прочности при сжатии от 150 до
199 кгс/см2.
Пока не существовало теории расчета сооружений на прочность,
их делали |
громоздкими, с очень толстыми стенами и колоннами, |
а размеры |
назначали, руководствуясь опытом. При этом, конечно, |
расходовалось много лишнего материала.
Усилиями многих ученых, в том числе Галилео Галилея (1564— 1642), Леонарда Эйлера (1707—1783), М. В. Ломоносова (1711 — 1765), такая наука была создана, и она непрерывно развивается. В СССР был разработан метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям.
Предельным называют такое состояние конструкции, когда она перестает удовлетворять условиям эксплуатации. Сущность расчета по предельным состояниям в общем виде можно записать так:
N < 0,
где N — расчетная сила в элементе конструкции, т. е. сила прин ципиально возможной нагрузки; Ф— расчетная несущая способ ность— сила, которую может воспринять элемент — при наимень шем расходе материала и наихудших условиях работы конструк ции.
Суть неравенства в том, что наибольшая расчетная сила в эле менте не должна превышать его наименьшей несущей способности.
Различают три предельных состояния: по несущей способности; по деформациям; по образованию и раскрытию трещин.
Для первого предельного состояния расчеты должны обеспечи вать прочность и устойчивость конструкции с учетом возможных неблагоприятных условий работы. Для второго предельного состоя ния расчетом проверяют, чтобы прогибы и линейные деформации конструкции не вызывали потерь ею эксплуатационных качеств. Например, металлическая балка может сильно прогнуться, хотя для ее разрушения требуется еще увеличить нагрузку, эксплуати ровать эту балку нельзя. Оборудование, расположенное на пере крытии, поддерживаемом этой ,балкой, перекосится и может выйти из строя, потолок на нижнем этаже провиснет.
При расчете по третьему предельному состоянию в конструкции не должны возникать трещины. Например, в железобетонном мосту
24
микроскопические трещины могут возникнуть при небольших про гибах и при нагрузке значительно меньше разрушающей, однако в образовавшиеся трещины может попасть вода, которая вызовет коррозию арматуры и дальнейшее раскрытие трещин, что посте пенно приведет к потере мостом своей несущей способности.
Упругость. Упругость — это способность материала изменять под действием нагрузки свою форму без признаков разрушения и восстанавливать ее в большей или меньшей степени после удаления нагрузки. Восстановление формы в зависимости от величины дейст вующей силы может быть полным или неполным. Пример очень упругого материала — резина. Упругими являются и такие материа лы, как сталь, дерево.
Пластичность. Пластичность — это способность материала под действием нагрузки изменять без признаков разрушения, свою фор му и полностью сохранять эту измененную форму после снятия нагрузки. Большинство растворных смесей отличается высокой пластичностью.
Хрупкость. Свойство материала под действием прилагаемых к нему усилий разрушаться сразу, не обнаруживая сколько-нибудь значительных деформаций, называется хрупкостью.
Хрупкие материалы плохо сопротивляются удару, поэтому их нельзя использовать там, где могут быть ударные нагрузки. При мером хрупкого материала может служить стекло, многие камен ные материалы.
Твердость. Твердость — это способность материала сопротив ляться проникновению в него более твердого тела. Существует несколько способов определения твердости материалов. Твердость металлов, древесины, бетона определяют, вдавливая в образцы стальной шарик. О величине твердости судят по глубине вдавлива ния шарика или по диаметру полученного отпечатка. Твердость однородных (каменных) минералов определяют по шкале твердо сти (табл. 4).
Т а б л и ц а 4
Шкала твердости минералов (по Моосу)
|
|
Показа |
|
Показа |
|
|
|
тель |
|
Минерал |
|
тель |
Минерал |
|
|
твер |
|||
|
|
твердости |
|
|
|
|
|
дости |
|
|
|
|
|
|
Тальк или мел.......................... |
|
1 |
О ртоклаз.............................. |
6 |
Каменная соль или гипс . . . |
2 |
Кварц...................................... |
7 |
|
Кальцит или ангидрид . . . . |
3 |
Топаз ..................................... |
8 |
|
Плавиковый ш п а т ............... |
■ |
4 |
Корунд .................................. |
9 |
А п ати т...................................... |
|
5 |
Алмаз..................................... |
10 |
На шкале минералы расположены в порядке возрастающей твердости. Каждым последующим минералом можно прочертить линию на минерале, который ему предшествует. Если при опреде лении твердости какого-нибудь материала окажется, что его
25
образец оставляет черту на гипсе, а сам чертится кальцитом, его твердость равна 2,5.
У некоторых материалов существует определенная взаимозави симость между твердостью и прочностью. Приближенные способы проверки прочности бетона или металла в конструкции основаны на измерении их твердости.
Истираемость, износ. И с т и р а е м о с т ь характеризуется умень шением массы и объема образца, подвергаемого трению о другой материал. Истираемость определяют в лабораториях на специаль ных машинах-кругах истирания.
Величину истираемости вычисляют по формуле
г!см*,
где G, — масса сухого образца до истирания; G2 — масса сухого образца после истирания; F — площадь истирания.
Величина истираемости, например, составляет: для древесно стружечных плит — 0,08 г/см2, а для пластмассовых проступей — 0,03 г/см2. Истираемость в значительной степени зависит от проч ности.
Если конструкция наряду с истиранием испытывает ударные нагрузки, то она подвергается из носу . К таким конструкциям относятся, например, полы промышленных предприятий, дорожные покрытия. Испытания материалов на износ производят во враща ющихся барабанах, где куски материала, находясь в непрерывном движении, ударяются друг о друга и частично разрушаются. Для ускорения испытания в барабаны иногда закладывают стальные шары.
Огнестойкость. Огнестойкость — это способность материала вы держивать без разрушения воздействие огня и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости различают сгораемые, трудносгораемые и несгораемые материалы.
С г о р а е м ы м и называются материалы, которые под действием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня (например, дерево, толь, рубероид).
Т р у д н о с г о р а е м ы м и считают материалы, способные гореть (тлеть и обугливаться) только при непосредственном действии на них источника огня или высокой температуры и перестающие го реть после удаления этого источника. К таким материалам отно сится, например, фибролит.
Н е с г о р а е м ы м и являются материалы, которые не воспламе няются под действием огня или высокой температуры, а только в большей или меньшей степени разрушаются. К этим материалам относятся отвердевшие штукатурные растворы, керамические и стеклянные плитки.
Огнеупорность. Огнеупорность —эго способность материала вы держивать длительное воздействие высокой температуры, не разру
26
шаясь и не размягчаясь. По степени огнеупорности различают
материалы легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные. |
при |
тем |
||
Л е г к о п л а в к и е — это материалы, размягчающиеся |
||||
пературе ниже 1350°С (обыкновенный кирпич). |
|
до |
||
Т у г о п л а в к и е |
материалы |
выдерживают температуру |
||
1580° С. К ним относится, например, кирпич для кладки печей. |
|
|||
О г н е у п о р н ы е |
материалы |
способны выдерживать |
длитель |
ное воздействие температур свыше 1580° С. Материалы этой группы (шамот), в частности, применяются для внутренней облицовки (футеровки) промышленных печей и труб.
Теплостойкость (термостойкость). Способность материала со хранять свои эксплуатационные свойства при повышении темпера туры называется теплостойкостью. Величина теплостойкости опре деляется максимальной температурой, при которой материал не теряет еще своих свойств.
§ 5. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Химические свойства материала характеризуют его способность реагировать на различные вещества, способные изменить химиче ский состав материала. К основным химическим свойствам отно сятся растворимость и стойкость к коррозии, в том числе кислото-, щелоче- и газостойкость.
Растворимость. Растворимость — это способность материала ра створяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других жидкостяхрастворителях.
Растворимость может быть и положительным и отрицательным свойством. Например, если в процессе эксплуатации отделанные поверхности разрушаются под действием растворителя, раствори мость материалов играет отрицательную роль. При изготовлении холодных битумных мастик используется способность битумов рас творяться в бензине. Это дает возможность наносить материал на поверхность тонким слоем, и в данном случае растворимость играет положительную роль.
Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии — это свойство ма териала сохранять свои первоначальные качества и долговечность в условиях агрессивной (разрушающей) среды. Агрессивной средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей и кислот, органи ческие растворители и т. д. Коррозия возникает под действием физических, химических или биологических факторов. Антикорро зионностью обладают, например, пигменты, смолы, цементные рас творы, с помощью которых металлические детали защищают от коррозии.
К и с л о то ст о й кос т ь — это способность материала сохра нять свои свойства под действием кислот. Кислотостойкостью обла дают материалы, представляющие собой соли сильных кислот (азотной, соляной, кремнефтористой), а также некоторые синтети ческие материалы.
27
Кислотостойкими материалами являются, например, стекло (если не считать фтористую кислоту), поливинилхлоридные и спе циальные керамические плитки, полиэтиленовые пленки. Кислотостойкость материалов имеет большое значений при отделке некото рых промышленных сооружений, например отстойников.
Щ е л о ч е с т о й к о с т ь — это способность материалов сохра нять свои свойства при действии щелочей. Этим свойством должны обладать материалы, которыми отделывают промышленные соору жения, подвергающиеся воздействию щелочей. Щелочестойкими должны быть и пигменты (красители), употребляемые для цветной штукатурки, так как в состав штукатурных растворов входит из весть (гидрат окиси кальция), являющаяся сильной щелочью. Та кими пигментами являются охра, умбра и т. п. Декоративная шту-' катурка с нещелочестойкими пигментами быстро теряет свой перво
начальный цвет.
Г а з о с т о й к о с т ь — это способность материала не вступать во взаимодействие с газами, находящимися в окружающей среде. Для промышленных зданий и сооружений, где возможно присутствие различных газов, используют специальные материалы. Материалы, применяемые в жилищном строительстве, должны быть стойкими в основном к углекислому газу и сероводороду, так как эти газы могут содержаться в воздухе в больших количествах, особенно вблизи промышленных предприятий.
По этой причине для отделки фасадов зданий нельзя употреб лять пигменты, в состав которых входят свинец или медь; такие пигменты вступают в реакцию с сероводородом и чернеют.
ГЛАВА II
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ МАТЕРИАЛЫ И ДОБАВКИ К НИМ
ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
§6. НАЗНАЧЕНИЕ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ
ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Кнеорганическим вяжущим материалам относятся вещества минерального происхождения, обладающие способностью при сме шивании с водой (реже без нее) образовывать пластичное тесто, затвердевающее в камневидное тело. В строительстве применяют следующие неорганические вяжущие материалы: известь, гипс и гипсовые вяжущие, жидкое стекло, глину, цементы, магнезиальные вяжущие.
Взависимости от условий твердения различают воздушные и
гидравлические вяжущие материалы. К в о з д у ш н ы м относятся вяжущие материалы, которые способны твердеть и сохранять свою прочность только на воздухе, во влажных условиях они теряют
прочность. Г и д р а в л и ч е с к и е |
в я ж у щ и е |
м а т е р и а л ы спо |
собны твердеть как на воздухе, |
так и в воде, |
например цементы. |
К гидравлическим вяжущим материалам относятся и такие мате риалы, которые начинают твердеть и повышать прочность на воз духе, а продолжать твердеть могут в воде.
§ 7. СТРОИТЕЛЬНАЯ ВОЗДУШНАЯ ИЗВЕСТЬ
Строительная известь (ГОСТ 9179—70)' — это продукт, получае мый обжигом чистых или доломитизированных и мергелистых изве стняков (СаСОз) и мела до полного выделения из них углекислоты (СОа). Известь применяют в качестве основного вяжущего мате риала для штукатурных растворов, а также как пластифицирую щую добавку к цементным растворам, например, при плиточных работах.
В зависимости от условий твердения известь разделяют на воз душную, обеспечивающую твердение строительных растворов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и гидравли ческую, которая обладает способностью твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде.
По внешнему виду известь делится на комовую и порошкооб разную.
29