1.2 Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться силовым, тепловым и другим внутренним напряжениям без признаков разрушения структуры. К этим свойствам относятся: прочность, упругость, пластичность, твёрдость, истираемость и хрупкость.

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению и деформациям под действием напряжений, возникающих от внешних нагрузок или других факторов (неравномерная усадка, нагревание и т.п.). Оценивается пределом прочности, т.е., предел прочности – это напряжение, соответствующее наибольшей (разрушающей) нагрузке в момент разрушения материала.

Предел прочности определяют нагружением до разрушения испытываемых образцов материала с помощью гидравлических прессов или разрывных машин. Испытание проводят на образцах (кубах, цилиндрах, призмах, балочках) форма и размеры которых указаны в стандартах на соответствующий материал.

Строительные материалы в конструкциях подвергаются сжатию, растяжению, изгибу, срезу, кручению. Одни материалы хорошо сопротивляются сжатию и значительно хуже – растяжению и изгибу. Например, природные каменные материалы, бетон и др. Поэтому такие материалы используются в конструкциях, работающих преимущественно на сжатие. Металлы и дерево имеют высокую прочность, как на растяжение, так и на сжатие и изгиб. Поэтому их применяют в конструкциях, работающих на изгиб, сжатие и растяжение.

Предел прочности на сжатие или растяжение вычисляют делением максимальной нагрузки при разрушении образца (F) на площадь первоначального поперечного сечения (A).

(1.15)

Размерность предела прочности – Па или кГс/см². Но поскольку пользоваться в Па не совсем удобно (большие цифры), то прочность чаще всего выражают в МПа, т.е. 1МПа=1Па·10⁶. Если переводить в метрическую систему единиц, то 1 МПа ≈ 10 кГс/см².

Предел прочности при изгибе определяют на образцах балочках, расположенных на двух опорах. Сила (Р) прикладывается, как правило, в середине образца.

(1.16)

где l – расстояние между опорами, см; b – ширина образца, см; h – высота, см.

Предел прочности при сжатии строительных материалов колеблется в в довольно широких пределах от 0,5 МПа (некоторые виды теплоизоляционных материалов), до 1000 МПа и выше (высокосортные стали). Например, у кирпича от 7,5 до 30 МПа, у бетона – до 60 МПа и более.

По прочности строительные материалы обычно подразделяют на марки, классы или сорта. Численные значения их, как правило, соответствуют по величине пределу прочности, полученному при испытании образцов стандартных форм и размеров.

Материалы, находящиеся под нагрузкой, деформируются, т.е. изменяют свои размеры и форму. Различают упругие и пластические деформации. Если после снятия нагрузки образец восстанавливает свои первоначальные размеры и форму, то деформацию называют упругой. Если же он частично или полностью сохраняет изменённые размеры или форму, то такую деформацию называют пластической. Следовательно, упругость –свойство материала деформироваться и восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, а пластичность – свойство материала изменять свою форму под нагрузкой, без появления трещин и сохранять её после снятия нагрузки.

Упругость материала количественно характеризуется модулем упругости Е (модулем Юнга). Определяется как отношение нормального напряжения к его относительной деформации. Для бетонов он обычно измеряется при величине не более 0,2 призменной прочности бетона на сжатие:

(1.17)

где σ – нормальное напряжение, МПа; ε – относительная деформация.

Модуль упругости характеризует меру жёсткости материала. Чем больше величина этой характеристики материала, тем меньше деформация при прочих равных условиях.

Эффективность прочностных показателей материала иногда оценивают по величине коэффициента конструктивного качества (к_к.к.). Величину этого показателя определяют по формуле:

(1.18)

где R – предел прочности материала на сжатие, МПа; ρ_с – средняя плотность материала, кг/м³ (для некоторых материалов – квадрат средней плотности).

Численное значение коэффициента конструктивного качества является величиной безразмерной. Однако физически этот показатель выражает высоту столба из данного материала, в основании которого под действием собственной массы напряжения будут равны его пределу прочности на сжатие. Следовательно, чем больше прочность и меньше плотность материала, тем выше несущая способность материала.

Твёрдость – способность материала сопротивляться прониканию в него другого, более твёрдого материала. Существует ряд методов определения твёрдости в зависимости от вида и назначения материала.

Твёрдость природных каменных материалов оценивают по шкале Мооса (Mohs). Она состоит из 10 минералов, из которых первый – тальк (самый мягкий) и десятый – алмаз (самый твёрдый). Показатель твёрдости испытываемого материала находится между показателем твёрдости двух соседних минералов, из которых один царапает поверхность опытного образца, а другой оставляет черту. Твёрдость металлов, пластмасс, древесины и бетона определяют вдавливанием стальных шариков в течение определённого времени заданной нагрузкой.

Между твёрдостью различных материалов и их прочностью не всегда имеется прямая зависимость, т.е. твёрдость нельзя отождествлять с понятием прочности. Например, древесина по прочности равна прочности бетона, но твёрдость её значительно меньше. В то же время самое твёрдое вещество в мире – алмаз обладает относительно малой прочностью.

Нефрит имеет «скромную» твёрдость – 6, а по прочности – это один из самых прочных в мире камней (1000…1200 МПа).

Тем не менее, для некоторых материалов существует определённая связь между твёрдостью и прочностью, например металлов.

Истираемость – способность материала сопротивляться истирающим воздействиям, которые вызывают постепенный отрыв и удаление с поверхности материала мелких частиц. Сопротивление материала истиранию определяют на специальных кругах истирания. Оценивается истираемость по величине потери массы образца, отнесённой к площади истирания и выражается в г/см² .

(1.19)

где m₁ и m₂ - масса образца до и после истирания; А – площадь истирания, см²

Истираемость зависит от прочности и твёрдости материала. Чем больше твёрдость материала, тем меньше его истираемость. Например, для гранита показатель истираемости равен 0,03…0,07 г/см², а для известняка и мрамора в 10…15 раз больше.

Истираемость является важной характеристикой для оценки эксплуатационных свойств материалов дорожных покрытий, полов, лестниц, ступеней и др.

Хрупкость – свойство материала внезапно разрушаться после незначительной пластической деформации. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать форму, так как под нагрузкой материал быстро разрушается, т.е. дробится на части или рассыпается. Хрупкими являются природные и искусственные камни, стекло, чугун и некоторые полимерные материалы. Однако провести четкую границу между пластичными и хрупкими материалами практически невозможно, поскольку на характер деформации влияют множество факторов: температура, тип напряжённого состояния, скорость деформации, окружающая среда и др. Например, с понижением температуры большинство строительных материалов становятся хрупкими: битумы, некоторые пластмассы, металлы и др.

Долговечность – способность материала сопротивляться комплексному воздействию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. К этим факторам можно отнести изменение температуры и влажности, действие различных газов или растворов солей, совместное действие воды и мороза, солнечных лучей. Долговечность материалов оказывает существенное влияние на величину эксплутационных затрат, на содержание зданий и сооружений.