Лекции_строительные материалы и конструкции

метод, предусматривающий насыщение образцов бетона 5 %-ным водным раствором хлорида натрия. Один цикл ускоренного метода приравнивается к 3…6 циклам традиционного метода. Еще более ускоряет испытание на морозостойкость бетона замораживание образцов в 5 %-ном растворе хлорида натрия при температуре –50 С. Разработан метод ускоренного испытания бетонов на морозостойкость, основанный на измерении объемных деформаций материалов при однократном замораживании.замораживании.

Паропроницаемость - это способность материалов пропускать водяной пар при наличии перепада парциальных давлений на противоположных сторонах. Паропроницаемость материала характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который показывает количество водяного пара Q, мг, проходящее через

плоскую однородную стенку из материала толщиной = 1 м и

площадью F = 1 м2 в течение времени z = 1 ч при разности парциальных давлений водяного пара у противоположных

поверхностей, равной ( P1 P2 ) = 1 Па:

Fz(P1 P2)

Для определения коэффициента паропроницаемости газобетона образец материала помещают в термостат с температурой воздуха 202 С. Боковые грани образца покрывают пароизоляцией. Пространство под образцом изолировано сбоку металлическим кожухом , снизу – слоем резины. В этом пространстве размещают сосуд с насыщенным раствором сульфата калия, что обеспечивает под образцом стабилизацию относительной влажности воздуха на уровне 97

%.Над образцом в термостате поддерживается относительная

влажность воздуха 54% за счет присутствия сосуда с насыщенным раствором азотнокислого магния. После установления стационарного потока водяного пара через образец, периодическим взвешиванием сосуда определяют количество водяного пара, проходящего через слой материала в течение часа.

Газопроницаемость (воздухопроницаемость) – это способность материалов пропускать через свою толщу газ (или воздух) при наличии перепада парциальных давлений газа (или воздуха) на противоположных поверхностях. Газопроницаемость материалов оценивается с помощью коэффициента газопроницаемости i, который

11

однородную стенку из материала толщиной =1 м и площадью F =1 м2 в течение времени z =1 ч при разности парциальных давлений газа у противоположных поверхностей ( P1 P2 )= 1Па

Q

отношение интенсивности звука, переданного через слой материала I , Дж/м2с, к интенсивности звука, падающего на поверхность материала

I1 :

I1

Звукопоглощение – способность строительного материала поглощать звук. Звукопоглощение характеризуется коэффициентом звукопоглощения з , который показывает отношение неотраженной

материалом звуковой энергии ( Епад Еотр ) к энергии,

падающей на него Епад :

Акустические материалы с повышенной звукопоглощающей способностью применяют для внутренней облицовки помещений с целью обеспечения оптимальных условий слышимости.

Радиоактивность. Практика показывает, что строительные материалы в той или иной степени сами могут являться источниками радиации, содержащими естественные радионуклеиды, в частности, изотопы радия Ra 226 , тория Th 232 и калия K 40 . Поэтому они нуждаются в радиационно-гигиеническом контроле. Активность изотопа a в радиоактивном источнике– это величина, равная

отношению числа ядер dN , распавшихся в изотопе, к промежутку

12

времени dt , за которое произошел распад : a = dN dt , Бк.

Единица активности нуклеида 1 Беккерель равна 1 распаду в секунду. Массовая активность – это величина, равная отношению активности

источника к его массе: A = a / m, Бк/кг.

Для практических целей при радиационно-гигиенической оценке строительных материалов используют показатель удельной

Измерения массовой активности естественных радионуклеидов в материалах осуществляют с помощью переносных радиометром типа РКП-305МС. Для возведения жилых и общественных зданий разрешается применять материалы с показателем удельной

материала защищать от радиации принято характеризовать слоем материала, ослабляющего интенсивность - излучения вдвое.

Долговечность - свойство материалов длительно сохранять работоспособность без потери эксплуатационных качеств в заданных условиях. О долговечности материалов принято судить на основе периодического обследования состояния материалов в зданиях и сооружениях. Долговечность можно прогнозировать, моделируя основные эксплуатационные факторы в лабораторных условиях и наблюдая за изменением главных качественных характеристик строительных материалов. Долговечность материалов измеряют сроком службы. Строительными нормами предусмотрены 3 степени долговечности зданий, в зависимости от применяемых материалов: I – соответствует сроку службы 100 лет, II – соответственно 50 лет и III – 20 лет.

1.2. Химические свойства

Химический состав. Большинство строительных материалов неоднородны по химическому составу. Химический состав неорганических материалов принято характеризовать процентным содержанием оксидов: CaO, MgO, K2O, Na2O, SiO2, Al2O3, Fe2O3 и др.

13

Химический состав часто используют для оценки качества и химической стойкости материалов.

Модуль основности. Под влиянием химически активных веществ, находящихся в окружающей среде, строительные материалы могут подвергаться коррозии и разрушению. Возможность разрушения материала под влиянием агрессивных сред приблизительно можно оценивать по величине модуля основности μо, при определении которого используются данные о химическом составе исследуемого материала:

%CaO %MgO %K 2O %Na2O

%SiO2 %Al2O3

Если модуль основности μо > 1, материал стоек в щелочной среде. Если μо < 1, материал стоек в кислой среде.

1.3. Механические свойства

Под действием внешних сил материалы могут деформироваться, а после снятия внешних сил геометрические размеры материалов полностью или частично восстанавливаются. Основными качественными деформативными характеристиками являются упругость, пластичность и хрупкость. Упругость – это свойство материалов восстанавливать свои первоначальные размеры после снятия внешних сил. Пластичность характеризует способность материалов получать большие остаточные деформации без разрушения. Хрупкость – это способность материалов разрушаться под действием внешних сил без образования заметных остаточных деформаций. Деление материалов на пластичные и хрупкие в некоторой степени условно, но вполне оправдано практическими целями. Для количественной оценки степени деформаций металлов и сплавов используют величины их абсолютных и относительных деформаций.

Относительная линейная деформация материала равна отношению абсолютной линейной деформации Δl к первоначальной расчетной длине материала l :

= Δl . l

Относительную линейную деформацию, определяемую при разрыве металлов и сплавов, принято называть относительным удлинением.

14

Прочность – это способность материала в определенных пределах воспринимать воздействие механических нагрузок не разрушаясь. Действие нагрузок приводит к возникновению в материале напряжений. При одноосном растяжении или сжатии напряжение численно равно величине внешней нагрузки F, приходящейся на единицу площади поперечного сечения S образца материала:

= FS .

Согласно закону Гука в пределах упругости существует линейная зависимость между напряжением , возникающим в материале под действием внешних сил, и деформацией :

= E , МПа.

Величина E представляет собой коэффициент пропорциональности, который называют модулем упругости первого рода, или модулем Юнга. Он измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Модуль упругости является мерой жесткости материала.

Предел упругости у равен такому наибольшему напряжению, при котором материал не получает остаточных деформаций.

Предел текучести σт – равен такому напряжению, при котором начинается пластическое течение металла:

σт = Fт .

S

Возникновение продольных деформаций при действии внешних сил сопровождается появлением поперечных деформаций. Отношение

относительной продольной деформации x называют коэффициентом Пуассона:

= y .

x

При растяжении происходит сужение поперечного сечения. Относительное поперечное сужение равно отношению абсолютного уменьшения площади поперечного сечения ΔS к площади начального поперечного сечения S:

15

Прочность и жесткость материалов характеризуют диаграммой деформаций, построенной в координатах «относительная деформация - напряжение» по результатам лабораторных испытаний.

Истинное сопротивление разрыву материалов определяют делением максимальной растягивающей силы Fmax на фактическую площадь его поперечного сечения в месте разрыва (1- ψ) S :

(1 ψ)S

Временное сопротивление разрыву вычисляют делением максимальной растягивающей силы Fmax на площадь поперечного начального поперечного сечения S образца материала:

Предел прочности при осевом сжатии Rсж равен отношению разрушающей сжимающей силы к первоначальной площади поперечного сечения образца материала:

Rсж = Fразр , МПа.

S

Предел прочности при изгибе определяют испытанием материала изгибающей нагрузкой до разрушения. Образцы для испытания имеют цилиндрическую или призматическую форму. Например, при испытании серого чугуна применяют цилиндрические образцы двух типов диаметром 30 мм длиной 680 и 340 мм соответственно.

Образцы материалов размещают на двух опорах и нагружают одной или двумя сосредоточенными силами. Предел прочности материала при изгибе вычисляют по формуле

Rизг = WM , МПа,

где M - изгибающий момент; W - момент сопротивления сечения образца.

Прочность материалов используют при делении многих конструкционных материалов на марки и классы. Экспериментально установлено, что показатели прочности материалов зависят от формы и размеров образцов, скорости нагружения, температуры и состояния опорных поверхностей. Поэтому все условия испытаний регламентированы стандартами или техническими условиями.

16

Удельная прочность (коэффициент конструкционного качества) - это сравнительный показатель, который используют для сопоставления эффективности различных конструкционных материалов. Он равен частному от деления предела прочности материала при сжатии Rсж,

кг/см2 , на плотность о кг/м3:

Rуд (ККК) = Rcж .

о

Ползучесть – это свойство, проявляющееся в медленном нарастании в материале с течением времени пластических деформаций при стационарном силовом воздействии меньшем такого, которое может

времени при данном постоянном напряжении. У материалов, проявляющих ползучесть, прочность оценивают величиной предела ползучести – такого условного постоянного напряжения, которое вызывает за определенное время скорость или деформацию ползучести, не превышающие определенной заданной величины.

Твердость – это сопротивление материала местной (локальной, поверхностной) пластической деформации. Существует ряд методов оценки твердости конструкционных материалов. При определении твердости металлов часто используют пробы по Бринеллю. Метод измерения твердости по Бринеллю применяют для металлов с твердостью не более 450 НВ. Сущность метода заключается во вдавливании шарика стального или из твердого сплава в образец (изделие) под действием усилия, приложенного в течение определенного времени, перпендикулярно к поверхности образца, и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки. Минимальная толщина образца должна быть не менее 8-кратной глубины отпечатка. Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется как отношение усилия F (кгс) к площади поверхности отпечатка (мм2), образовавшегося в испытуемой поверхности при вдавливании шарика:

где F - усилие, кгс (Н); D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм.

17

Для испытания используют шарики диаметром I; 2,0; 2,5; 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика D, соответствующее усилие F и продолжительность выдержки усилия выбирают в соответствии с рекомендациями ГОСТ 9012 так, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах от 0,24 до 0,60 D. Для испытаний по Бринеллю применяют твердомер типа ТШ-2М.

Вряде случаев применение метода Бринелля для определения твердости не представляется возможным. Например, нельзя испытывать образцы стали после химико-термической обработки поверхности, ввиду малой толщины обработанного слоя. По методу Роквелла твердость определяется на приборе ТК-2М вдавливанием в испытуемый образец стального шарика диаметром 1,58 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120 ° под действием двух последовательно прилагаемых

усилий: предварительного F0 = 98Н и общего F, равного сумме предварительного и основного усилия. Алмазный конус применяется для испытания более твердых материалов, а шарик, соответственно, более мягких. Алмазным конусом можно испытывать материал толщиной до 0,4 мм, а шариком до 2 мм.

Для определения твердости по Роквеллу необходимо установить

спомощью индикатора часового типа разность глубин отпечатков l, полученных действием общего и предварительного усилия. Численное значение твердости соответствует разности показаний условной шкалы индикатора, разбитой на 100 делений. Внедрение наконечника на 0,002 мм соответствует перемещению стрелки на одно деление. На циферблате изображают две шкалы: красную и черную. Красная шкала используется в случае испытания шариком, она смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений. Это обусловлено большими глубинами погружения шарика при стандартных нагрузках в сравнении с алмазным конусом.

Вприборе предусмотрены три диапазона измерений. В зависимости от предположительной твердости материала выбирают шкалу и наконечник. Если работают по шкале С или А, то устанавливают алмазный конус, если по шкале В - стальной шарик диаметром 1,58 мм. Числа твердости по Роквеллу, выраженные в условных единицах, связываются с глубиной внедрения наконечника.

По шкале А испытания проводят алмазным конусом при общей нагрузке 588 Н, и число твердости вычисляют по формуле

HRA=l00-l.

По шкале С испытания проводят алмазным конусом при нагрузке 1470 Н, и твердость определяют по аналогичной формуле

18

HRC= 100-l.

При измерении твердости по шкале В твердость по Роквеллу определяют погружением стального шарика под усилием 980 Н и вычисляют по формуле

HRB= 130 – l.

Величину l определяют по формуле

l = h h0 ,

0,002

где h0 - глубина отпечатка под действием предварительного усилия; h - глубина отпечатка под действием общей нагрузки;

0,002 - цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла, мм.

На практике числа твердости по Роквеллу обычно отсчитывают по шкале индикатора непосредственно в процессе испытания.

Метод Виккерса позволяет измерять твердость в широком диапазоне нагрузок, испытывать самые твердые металлы и сплавы, определять твердость очень тонких слоев при незначительном повреждении их поверхности, испытывать образцы простой конфигурации с максимальной высотой менее 240 мм и расстоянием от центра отпечатка на образце до края станины прибора менее 125 мм.

Метод основан на вдавливании алмазной пирамиды в испытываемый материал. Алмазная пирамида имеет квадратное основание и уголмежду противоположными гранями 136°. При определении твердости по Виккерсу усилие вдавливания выбирают в зависимости от толщины образца или слоя испытуемого металла и его предполагаемой твердости. ГОСТ 2999-75 рекомендует применять для испытаний одно из следующих усилий: 50, 100, 200, 300, 500, 1000 и 1200 Н.

Твердость по Виккерсу (HV) определяется как отношение усилия F к площади пирамидальной поверхности отпечатка и выражается формулой

после снятия усилия, мм; α - угол между противоположными гранями пирамиды.

Расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпе-

19

чатка. Минимальная толщина испытываемого образца или слоя должна быть больше диагонали отпечатка для изделий из черных металлов в 1,2 раза, для цветных металлов - в 1,5 раза.

Символ НV сопровождается индексом, указывающим усилие и длительность его приложения. Например, НV 300/60 означает твердость по Виккерсу, измеренную при нагрузке 300 Н, приложенной в течение

60 с.

При определении твердости методом упругой отдачи (по Шору) измеряется высота отскакивания от испытуемого металла стандартного бойка, свободно падающего с постоянной высоты. Боек изготавливается из закаленной стали или из стали с алмазом на конце и имеет определенный вес. Высота отскакивания автоматически отмечается стрелкой на круговой шкале, показывающей значение твердости.

Ударная вязкость характеризует динамическую или ударную прочность материалов, так как отражает их способность сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Для определения ударной вязкости образцы в виде брусков квадратного сечения с надрезом в середине подвергают испытанию на ударный изгиб на маятниковом копре Шарпи. Этот способ испытания хорошо выявляет склонность материалов к хрупкому разрушению. Ударную вязкость материала определяют отношением работы А к площади поперечного сечения образца в месте надреза S:

а = SA , МДж/м2 .

При спущенном маятнике на столик копра закладывают образец размером 10х10х55 мм. Расстояние между упорами составляет 40 мм. Надрез в средней части образца должен точно располагаться против острия ножа маятника. К маятнику должна быть обращена не надрезанная сторона образца. Маятник поднимают на определенную высоту h1 и закрепляют. После освобождения маятник под действием силы тяжести падает и ломает образец в плоскости надреза. Пролетая дальше, маятник поднимается на высоту h2. Угол взлета маятника после перелома образца указывается стрелкой на круговой шкале прибора

при вертикальном положении остановившегося маятника. Величина работы, затраченной на излом образца равна

А = Мg (h1-h2),

где М – масса маятника, g- ускорение свободного падения.

При проведении испытания пользуются таблицами, для определения величины работы, затраченной на перелом образца, в зависимости от угла .

20