Основы физики твердого тела для строителей

кристаллизуются. При кристаллизации создается давление кристаллов на стенки пор, т. е. в порах происходит концентрация напряжений, которые вызывают растягивающее напряжение в теле бетона, вплоть до разрушения. Вводя в бетон пористые заполнители (аглопорит), можно умень-шить солевую коррозию.

Контрольные вопросы

1.Какие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ)?

2.Как должен измениться предел прочности материала от действия поверхностно-активной среды?

3.Какое действие должны оказывать ПАВ, попавшие в смазку? Износ должен уменьшаться? Износ должен увеличиваться? Указать правильный ответ и пояснить почему.

4.Как должна влиять коррозия на надежность (сопротивление материала хрупкому разрушению). Почему?

5.Каковы основные признаки коррозии III вида бетона?

6.Какие существуют способы борьбы с коррозией III вида бетона?

9. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Общие сведения о характере разрушения древесины

Древесина как строительный материал имеет высокую механическую прочность и небольшой объемный вес по сравнению с другими материалами, например, сталью, бетоном и каменной кладкой.

Древесина – материал органического происхождения. Она состоит из клеток-волокон, имеющих трубчатую форму и связанных между собой межклеточным веществом. Под корой находится тонкий слой камбия; в растущем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром 2–5 мм. Остальная часть древесины, расположенная между тонким слоем камбия и сердцевины, состоит из двух частей, немного отличающихся один от другого цветовыми оттенками – внутренняя зона более темная, называется ядром, а более светлая – заболонью. С возрастом размеры

211

ядра увеличиваются за счет перехода заболонной древесины в ядровую, а ширина заболони постепенно уменьшается. В то же время процент площади поперечного сечения ствола, приходящийся на заболонь, увеличивается с переходом вверх по стволу.

На поперечном сечении ствола (рис. 9.1, а) можно увидеть концентрические слои, окружающие сердцевину; каждое кольцо представляет собой ежегодный прирост древесины и называется годичным слоем. Ширина годичных слоев колеблется в зависимости от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе.

h – относительное напряжение, выраженное в долях от предела прочности, при h < 0,5 диаграмма имеет незначительную кривизну. Значение h = 0,5 рассматривается при этом как предел пропорциональности.

При всей относительной стройности структуры хвойных пород древесины основные элементы ее структуры – трахеиды – нестандартны, что является основной причиной изменчивости ее механических свойств. Значительный разброс показателей прочности даже для одной и той же породы древесины объясняется неоднородностью последней, связанной с особенностью ее анатомического строения. Так, у хвойных пород, преимущественно применяемых в строительстве, прочность поздней древесины в три–пять раз выше прочности ранней. Чем толще стенки трахеид и чем больше про-цент поздней древесины, тем выше плотность древесины и ее прочность. Опытами установлена прямая пропорциональность между пре-делом прочности и плотностью древесины. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после ее приложения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточные деформации. Упругие и эластические деформации обратимы – они исчезают после снятия нагрузки в течение малого (упругие деформации) или более или менее длительного (эластические деформации) промежутка времени. Остаточные деформации, являющиеся необратимой частью общих деформаций, остаются и после снятия нагрузки.

212

в

г

Рис. 9.1. а – главные разрезы ствола; II – поперечный, Р – радиальный, Т – тангенциальный; б – кривая длительного сопротивления древесины; в – приведенная диаграмма работы сосны: 1 – при растяжении, 2 – при сжатии; г – разрушение образца при сжатии вдоль волокон

Древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. При совпадении направления силы и волокон прочность дре-весины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам. На прочность древесины значительно влияют скорость приложения нагрузки или продолжительность ее действия. Серию одинаковых деревянных образцов можно загрузить, например, на изгиб, различной по значению постоянной нагрузкой; разрушение этих образцов произойдет через разные промежутки времени: чем больше нагрузка (напряжение), тем скорее разрушится образец (мо-жет

213

оказаться, что часть образцов вообще не разрушится, как бы долго нагрузка не действовала). Показав результаты таких испытаний графически в координатах «предел прочности – время до разрушения» (рис. 9.1, б), получим асимптотическую кривую, по которой можно определить, сколько времени пройдет от начала нагружения до разрушения образца, находящегося под тем или иным напряжением. Асимптотический характер кривой показывает, что предел прочности с увеличением длительности приложения нагрузки хотя и падает, но не безгранично – он стремится к некоторому постоянному значению Rt, равному ординате асимптоты кривой. Приведенная кривая называется кривой длительного сопротивления древесины; Rt характеризует то предельное (максимальное) значение напряжения (или нагрузки), под действием которого образец не раз-рушится, как бы долго нагрузка не действовала.

Как и у бетона, длительное сопротивление является показателем действительной прочности материала в отличие от предела прочности, определяемого быстрыми испытаниями на машине стандартных образцов. Переход от предела прочности к длительному сопротивлению производится умножением предела прочности на коэффи-циент длительности сопротивления. По опытным данным коэффициент длительности сопротивления может быть принят 0,5–0,6. При очень быстром приложении нагрузки, например при ударе, предел прочности повышается по сравнению с длительным сопротивлением (до трех раз).

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон для сосны и ели в среднем 100 МПа. При разрыве поперек волокон вследствие анизотропности строения древесины предел прочности в 12–17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Испытания образцов на сжатие вдоль волокон дают значение предела прочности в 2–2,5 раза меньше, чем при растяжении. Влияние пороков (сучков, косослоя) меньше, чем при растяжении. Поэтому работа сжатых элементов в конструкциях более надежна, чем растянутых. Этим объясняется широкое применение металлодеревянных конструкций, основные растянутые элементы которых изготовлены из стали, а основные сжатые и сжатоизгибаемые – из дерева.

214

Приведенная диаграмма сжатия (рис. 9.1 в, линия 2) при h > 0,5 более отличается от линейной, чем при растяжении. При меньших значениях h эти отличия невелики и диаграмма может быть принята линейной до условного предела пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопровождается появлением характерной складки (рис. 9.1, г), образуемой местным изломом волокон.

9.2. Общие сведения о механике разрушения элементов деревянных конструкций

Древесина, как отмечалось выше, не является изотропным материалом. Свойства древесины, в том числе и сопротивление развитию трещины, различны в разных направлениях. Поскольку в механике разрушения важно знать, как ориентирована трещина и в каком направлении она будет развиваться, введем следующую двух-буквенную систему обозначений, характеризующую ориентацию и направление развития трещин, представленную на рис. 9.2. При этом 1-я буква обозначает направление нормали к плоскости трещины (ориентация трещины), 2-я – направление развития трещины. Так, трещина RL (в центре рисунка) расположена в плоскости, нормальной к радиальному направлению (R), и развивается в продольном направлении в отличие от трещины вида TL (на рис. 9.2 слева), которая расположена в другой плоскости, перпендикулярно тангенциальному направлению (Т), хотя и развивается в том же продольном направлении L.

215

нагружения). В процессе своего подрастания трещина может достичь критической длины, что приведет к ее спонтанному росту и разрушению образца.

В целом механика разрушения может применяться для решения следующих практических задач, возникающих при проектировании

иобследовании деревянных конструкций:

1.Выбор материала, наиболее подходящего для проектируемой конструкции, с учетом KIc и других параметров механики разрушения.

2.Оценка для заданной величины действующих напряжений критической длины трещин с последующим обследованием конструкции, которое гарантировало бы отсутствие дефектов размером более критической длины. На рис. 9.3 приведена кривая, соответствующая уравнению

KIc 1,12 .

и дающая зависимость между напряжением s и критической длиной трещины l для сосны при KIc = 2,5 МН м3/2.

Рис. 9.3. Зависимость между напряжением и критической длиной краевой трещины l, мм, для сосны, растягиваемой вдоль волокон, при KIc = 2,5 МН м1/2

9.3.Общие представления о полимерах

Впоследнее время широкое применение в народном хозяйстве получили полимеры. К полимерам относятся многие органические вещества, как естественные (крахмал, клетчатка, хлопок, шерсть,

217

кожа, каучук и др.), так и искусственные (полиэтилен, полистирол, плексиглас и др.), которые являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев.

Наиболее крупный потребитель синтетических полимеров – это строительство. Основные преимущества полимеров перед другими строительными материалами: легкость и большая удельная прочность. Здание, построенное с применением полимеров, может быть в три–четыре раза легче кирпичного. Полимеры широко применяются для покрытия полов: рулонные материалы, плиточные изделия, мастичные покрытия. При отделочных и конструкционно- отде-лочных работах широко применяются поливинилхлоридные и поли-этиленовые пленки, декоративные бумажно-слоистые и древесно-слоистые пластики, стеклопластики, профильные изделия (плинтусы), лакокрасочные материалы. Для тепловой и акустической изоляции применяются пенопласты, перфорированные пластмассы и т.д. Полимеры имеют весьма ценные механические свойства, сочетающие большую прочность с высокой эластичностью, некоторые полимеры выдерживают растяжение, в 5–10 раз превышающее их первоначальную длину. Но надо отметить, что эластичность полимеров про-является только в определенном интервале температур, ниже которого они становятся твердыми и хрупкими, а выше – пластичными.

Все разнообразие физических свойств полимеров объясняется следующими характерными особенностями их молекул:

1)молекулы полимеров обладают очень большой молекулярной массой (от 5000– 15000 до нескольких миллионов);

2)молекулы имеют цепочечное строение, что приводит к большой гибкости молекул, длина молекул достигает нескольких микрометров;

3)для макромолекул линейных полимеров характерно последовательное повторение вдоль полимерной цепи одной и той же струк-турной группы, т.е. звена или химической единицы цепи.

Химическое взаимодействие между звеньями цепи значительно сильнее, чем взаимодействие между цепями, т.е. чем межмолекулярное взаимодействие. На рис. 9.4 показана для примера схема строения (а) и модель молекулы синтетического каучука, состоящей из дивинильных групп С4Н6. Химическая

218

формула молекулы (С4Нб)n, где n – показатель степени полимеризации, в данном случае по-рядка 3000.

аб

Рис. 9.4. Схема строения (а) и модель молекулы синтетического каучука (б) (черные шарики – атомы углерода; белые – водорода)

В зависимости от формы и строения макромолекул полимеры могут быть линейными, разветвленными, сетчатыми (рис. 9.5).

а

б

в

Рис. 9.5. Схема строения молекул полимеров: а – линейные; б – разветвленные; в – сетчатые

Между звеньями макромолекул и между атомами в звеньях имеет место ковалентный характер связи. Связь между макромолекулами в жидком или твердом полимере в большинстве случаев имеет полярный характер и осуществляется слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Возможны и другие виды связи. Однако

219

во всех случаях характерные свойства полимеров реализуются только тогда, когда силы межмолекулярного взаимодействия остаются значительно мень-ше сил внутримолекулярного взаимодействия.

В зависимости от времени воздействия и скорости изменения внешних условий введена следующая классификация состояний полимеров:

1.Фазовые состояния, различающиеся характером структуры: аморфные, кристаллические и жидкокристаллические.

2.Агрегатные состояния, характеризующие способность тела сохранить форму и объем.

Для полимеров характерны только твердое и жидкое агрегатные состояния. В газообразном состоянии полимеры не существуют, т. к. у них высокая температура кипения, а температура разложения значительно ниже температуры кипения, т.е. все состояния полимеров – конденсированные.

3.Релаксационные состояния.

Релаксационным называется процесс перехода из неравновесного состояния в равновесное, который протекает во времени при вза-имодействии на систему силового поля.

Возможны три типа конденсированных состояний полимеров: кристаллическое, жидкое, стеклообразное. Для аморфных полимеров возможно еще одно (четвертое) состояние – высокоэластическое. Оно характеризуется сильной обратимой деформацией (например, резина – высокоэластична). Аморфные полимеры (некристаллизующиеся и аморфные частично кристаллизующиеся) имеют три вида релаксационных состояний, зависящих от температуры и давления:

а) стеклообразное состояние механически твердое, структурножидкое;

б) высокоэластическое состояние, характеризующееся огромными обратимыми деформациями, обусловленными разворачиванием (клубков макромолекул) без проскальзывания;

в) вязкотекучее состояние, оно и механически и структурно жидкое, в котором макромолекулы перемещаются друг относительно друга как целое.

Для полимеров характерны три типа механического разрушения: хрупкое, пластическое, высокоэластическое. Процесс хрупкого разрушения описывается уравнением Гриффитса

220