1.2 Механічні властивості будівельних матеріалів

Механічні властивості характеризують здатність матеріалу опиратися силовим, тепловим, усадочним і іншим внутрішнім напруженням без руйнування. Найважливішими механічними властивостями, що характеризують якість матеріалів, є міцність, пружність, крихкість, пластичність, твердість, стирання, довговічність.

Міцність – здатність матеріалів чинити опір руйнуванню від дії напруг, що виникають у ньому під впливом прикладеного навантаження. Міцність матеріалів зумовлена зчепленням між собою часток (атомів, іонів і молекул), з яких вони складаються. До прикладення силових навантажень частки, з яких складаються тверді матеріали, утримуються силами взаємного зчеплення. Після прикладення до тіла зовнішнього навантаження їхня дія рівномірно розподіляється на всі частки матеріалу, і він виявляється в напруженому стані, що, в свою чергу, призводить до зміни відстаней між частками матеріалу, тобто до його деформації і руйнування.

Величину, що дорівнює відношенню сили (навантаження) до площі перерізу тіла, називають напругою і вимірюють у Паскалях (Па = Н / м²):

P

 = ––––

F

де  – напруга, Па;

P – сила (навантаження), Н;

F – площа перерізу, м².

Будівельні матеріали у конструкціях під дією різних навантажень сприймають напругу стиску, розтягнення, згину і інше. Тому міцність матеріалів характеризують границею міцності при стиску, розтягненні, згині та інших навантаженнях.

Границею міцності називають умовну напругу, що відповідає найменшій силі, яка викликає руйнування зразка матеріалу. При цьому завжди обговорюють характер прикладення руйнівної сили (на стиск, розтягнення, згин, скручення, сколювання, зминання, зріз, удар). Іншими словами границя міцності це умовна напруга, яка відповідає найбільшому навантаженню, що витримує зразок матеріалу при випробуванні.

Практично границю міцності визначають шляхом руйнування (навантаження) стандартних зразків (рис.1.1) на спеціальних пресах або розривних машинах.

Границя міцності матеріалу (частіше при стиску) характеризує його марку. Границя міцності будівельних матеріалів при стиску вагається у широких межах 0.5…100 МПа та більше. У більшості матеріалів (крім деревини, сталі, полімерних матеріалів) границя міцності при розтягненні і зигині значно нижче, ніж при стиску. Так, кам‘яні матеріали при розтягненні витримують навантаження у 10-15 разів нижче, ніж при стиску (див. табл.1.1), тому їх використовують, головним чином, у конструкціях, що працюють на стиск.

Таблиця 1.1 – Границі міцності при стиску і розтягненні деяких будівельних матеріалів

Найменування	Границя міцності, МПа
матеріалу	при стиску	при розтягненні	при згині
Граніт	120…250	6…12	–
Базальт	250…500	12…25	–
Вапняк щільний	10…150	0.4…7	–
Бетон цементний	5…60	0.8…3.2	0.5…1
Цегла керамічна	15…30	–	1.5…4.5
Цегла силікатна	5…29	–	0.5…4
Скло	500…2000	–	30…100
Чавун	500…750	120…210	280…400
Сталь	200…500	200…1500	200…750
Дюралюміній	210…450	210…450	180…250
Ялина	37…42	127…129	77…78
Сосна	43…44	113…117	78…80
Дуб	50…52	128…130	93…95
Бук	40…46	128…130	90…92
Текстоліт	150…250	40…100	40…100
СВАМ	140	160	250
Органічне скло	50…120	–	65…78

Для будівельних матеріалів, що працюють у спорудах, діюча напруга повинна бути нижче границі їх міцності. Внаслідок цього і забезпечується необхідний запас міцності. Втрата матеріалом експлуатаційних якостей і, навіть, руйнування викликаються рядом причин: неоднорідністю матеріалу, можливістю значної деформації до досягнення границі міцності і виникненням тріщин, втомленістю матеріалу при значних змінних навантаженнях, старінням матеріалу під впливом навколишнього середовища тощо. Запас міцності встановлюється нормативними вимогами в залежності від виду і якості матеріалу, класу довговічності будови.

При нагріванні деталі будівельної конструкції може відбуватися прогрівання матеріалу, з якого вона складається, до критичної температури, при якій границя міцності матеріалу знижується до величини допустимих робочих напружень, що виникають від експлуатаційних навантажень. Математично це визначається відношенням:

R^н_а

K_з = 

_а

де К_з – коефіцієнт запаса міцності (завжди більше 1);

R^н_а – нормативна границя міцності матеріалу;

_а – напруга в матеріалі від нормативних навантажень.

Моменту К_з=1 відповідає стан, коли виникають надмірні деформації, вичерпується несуча здатність деталі і настає її руйнування. Тому при розрахунках коефіцієнт К_з приймають з запасом, що нормується (наприклад, може прийматися для сталі К_з=1.6, для алюмінієвого сплаву К_з=2, для бетону К_з=1.4).

Порівняння поведінки різних матеріалів при нагріванні зручно проводити за їх відносною міцністю. Відносна міцність (_t) визначається співвідношенням границі міцності матеріалу при досягнутій температурі (R_t) до границі міцності цього матеріалу при 20 ^оС (R₂₀):

R_t

_t = —— .

R₂₀

Пружність – здатність матеріалу змінювати під дією навантаження свою форму та об'єм без ознаки руйнування та відновлювати їх після припинення дії деформуючих сил. Зовнішні сили, прикладені до зразка матеріалу, викликають зміну його розмірів на величину l у напрямку дії сили (при стиску – скорочення, при розтягуванні – подовження). Показником деформації є відносна деформація (), яку визначають відношенням зміни лінійних розмірів тіла, що деформується, (l) в напрямку дії сили (при стиску - скорочення, при розтягуванні - подовження) до первісного значення лінійного розміру зразка (l):

l

 = —— .

l

Відносна деформація може бути зворотною і незворотною. Зворотна (пружна) деформація повністю зникає після зняття навантаження. Незворотна (пластична, залишкова) – не зникає після його зняття. Пружні деформації спостерігаються у гуми, скла, сталі, штучних і природних кам‘яних матеріалів, а пластичні – у глини, бітуму, деяких видів пластмас, незатверділих бетонних сумішей. Для твердих і пружних матеріалів зі збільшенням напруги пропорційно зростають і їх відносні деформації:

 =  Е ,

де  – напруга, МПа;

 – відносна деформація;

Е – модуль пружності, МПа.

Модуль пружності (Е) характеризує здатність матеріалу опиратися пружній зміні форми і розміру при прикладенні зовнішніх сил. Він має ту ж саму розмірність, що й напруга, і для даного матеріалу є його константою. Порівняння модулів пружності сталі (210⁵ МПа) і кремнеземистого скла (0.73 10⁵ МПа) говорить про те, що під дією однієї і тієї ж сили деформація сталі буде в 2.7 разу нижче, ніж у скла. А якщо деформованість сталі порівнювати з каучуком (Е=20МПа), то вона буде в 10000 раз нижче такого ж показника каучуку.

Крихкість – здатність матеріалу під впливом механічних напруг, які в ньому виникають, руйнуватися без помітної пластичної деформації. Крихкі матеріали практично не деформуються перед руйнуванням. До них відносяться природні та штучні кам‘яні матеріали, цементобетон, скло.

Пластичність – здатність матеріалу змінювати без розриву суцільності форму та розміри під впливом навантаження або внутрішнііх напруг, стійко зберігаючи утворену форму і розміри після припинення цього впливу. Пластичні матеріали під дією навантаження значно деформуються, помітно змінюючи свою форму та об‘єм, і тільки потім руйнуються.

Крихкість і пластичність дуже сильно залежать від температури, вологості, режиму навантаження та ін. Так, вироби з глини крихкі у сухому стані і пластичні у вологому.

Твердість – властивість матеріалу чинити опір деформуванню або руйнуванню при місцевому силовому впливі. Вона характерізується проникненням у нього іншого, більш твердого матеріалу.

Стирання – здатність матеріалу опиратися дії стиральних зусиль. Як правило, чим вище твердість матеріалу, тим більше у нього і опір стиранню. Одночасний вплив на матеріал стирання і удару викликає його спрацювання. А стійкість до спрацювання обумовлюється спроможністю протидіяти абразивній дії.

Довговічність – здатність матеріалів зберігати потрібні якості до граничного стану, який задається умовами експлуатації або випробувань. Оцінюють її часом або числом циклів від початку експлуатації (випробування) до моменту досягнення граничного стану, при якому подальша експлуатація повинна припинятися через порушення фізико-технічних властивостей, які неможливо усунути, визначених нормативними документами.