книги из ГПНТБ / Александровский А.В. Материаловедение для штукатуров, плиточников, мозаичников учебник

Чтобы 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

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

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

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

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

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

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,

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)

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

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

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

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