1.2 Механические свойства: пластичность, упругость, прочность,

деформации, твёрдость

Свойства материала сопротивляться механическим воздействиям необходимы всем конструкционным материалам. Сопротивление может вызывать деформации (вмятины, изгибы), которые называют пластическими и, если эти деформации после снятия нагрузки не исчезают, их называют необратимыми или остаточными.

Основной характеристикой деформативных свойств строительного материала является модуль упругости, предельные деформации и ползучесть.

Модуль упругости характеризует меру жёсткости материала и определяется с помощью деформации материала при постепенном нагружении его. Чем выше прочность материала, тем выше модуль упругости и меньше относительные деформации. Деформации происходят вследствие сближения под нагрузкой атомов, что ведёт к изменению размера образца.

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформацииℓ к первоначальному линейному размеру ℓ тела:

Модуль упругости Е (МПа) связывает упругую деформацию и одноосное напряжение (нагрузку) отношением:

Упругость твёрдого тела – это способность восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Такую деформацию называют обратимой. Предельные деформации, допускаемые при работе конструкции, у каждого материала свои. Для тяжёлого бетона они составляют при сжатии 0,0015-0,003 м/м, при растяжении – в десять раз меньше. Если допускается их развитие больше этой величины, то появляются микротрещины, что в дальнейшем приводит к разрушению.

Прочность – важное свойство для конструкционных материалов. Оно характеризует способность сопротивляться действиям внутренних напряжений, вызванных внешними силами (нагрузкой, ударом, давлением). Чаще всего конструкции работают на сжатие или на растяжение. Все каменные материалы (естественные или искусственные) хорошо сопротивляются сжатию, хуже – растяжению (в соответствии с предельно допустимыми деформациями), поэтому из них делают конструкции, работающие при сжатии. Из материалов более пластичных, таких как: древесина, сталь, пластики делают конструкции, подвергающиеся и сжатию и растяжению.

Напряжение сжатия или растяжения по величине равно силе, действующей на 1 см² площади сечения (F) материала (σ или R_сж) в кг/см² или МПа:

Для определения прочности каменных строительных материалов изготавливают в соответствии со стандартом опытные образцы определённых размеров: кубики (для определения прочности при сжатии бетонов) с длиной ребра 10, 15, и 20 см; естественный камень испытывают на кернах, выбуренных из плотных пород; прочность при изгибе определяют на призмах, изготавливаемых специально для бетона с размером сечения кубиков длиной 40, 60 или 80 см соответственно.

Кирпич является стандартным образцом, поэтому его испытывают сначала на изгиб, затем половинки, сложенные как кубик, испытывают при сжатии. Сжатие сопровождается поперечным расширением материала, в большей степени ближе к середине образца, т. е. дальше от плит пресса. Между плитами пресса и образцом действуют силы трения, препятствующие расширению материала от сжимающих сил. Поэтому испытывают при сжатии кубики, а не призмы, когда область расширения будет больше, значит, прочность при сжатии будет занижена.

Кубики разных размеров при испытании одного материала тоже дают разный результат. Чтобы можно было объективно оценивать прочность на кубиках разных размеров, существуют масштабные коэффициенты, принятые для размера кубика 15×15×15 см равными единице; для кубика 10×10×10 см – 0,95; для кубика 20×20×20 см – 1,05.

Прочность снижается при намокании материалов, у материалов с меньшей плотностью это особенно заметно, поэтому из них не делают конструкций, работающих во влажной среде. Снижение прочности материала после намокания определяют по коэффициенту размягчения, равному отношению прочности влажного к прочности сухого материала:

Удельная прочность или коэффициент конструктивного качества оценивается для конструктивных материалов по отношению прочности к плотности материала.

Наиболее эффективными считают материалы с высокой прочностью и низкой плотностью:

Так, у бетона М 400 удельная прочность:

у стали:

Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих слоёв атомов. Чем ближе и плотнее расположены атомы в материале, тем труднее их разделить, тем больше энергии надо потратить для разрушения материала. В условиях производства строительных материалов из разнородных компонентов при разных режимах и технологиях, с имеющимися дефектами в материале на молекулярном уровне, получить материалы теоретической прочности не представляется возможным. С развитием нанотехнологии, когда становится возможным влиять на плотность упаковки мельчайших частиц, коэффициент конструктивного качества материалов возрастёт.

Твёрдость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твёрдого тела. Твёрдость определяют на приборе – твердомере и сравнивают по шкале Мооса с твёрдостью природных каменных материалов от самого мягкого минерала талька, (принятого за 1), до самого твёрдого минерала алмаза, (принятого за 10). Чем твёрже материал, тем лучше он сопротивляется истиранию. Этому испытанию подвергают материалы, предназначенные для пола, дорожных покрытий, лестничных ступеней.