МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Главная - МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Под действием внешних сил строительные конструкции претерпевают деформацию. Длина деформируемого тела / изменяется (увеличивается или уменьшается) на величину Ы, называемую абсолютной деформацией. Удобнее характеризовать деформационные свойства не абсолютной, а относительной деформацией е, равной отношению абсолютной деформации к первоначальному (до деформирования) размеру тела:

е = А1/1. (15)

Твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, проявляя свойства упругости или пластичности.

Упругость — свойство твердого тела самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация, полностью исчезающая после снятия внешней нагрузки, называется обратимой.

Пластичность характеризует способность материала под действием внешних сил изменять первоначальную форму без нарушения сплошности структуры.

После снятия нагрузки пластичный материал не восстанавливает первоначальной формы. Пластическая (остаточная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки, называется необратимой. Под действием внешних нагрузок в материале возникают внутренние силы упругости, стремящиеся возвратить его в первоначальное состояние. Физическая величина, которая характеризует интенсивность внутренних сил, приходящихся на единицу площади сечения, называется механическим напряжением. При одноосном растяжении или сжатии напряжение о определяют по формуле а = F/A, где F — действующая сила; А — площадь первоначального поперечного сечения элемента. Прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, вызванных внешними силами. Количественная характеристика прочности — это предел прочности, численно равный напряжению, при котором материал разрушается.

Для экспериментального определения предела прочности материала используют образцы правильной геометрической формы — кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, правила обработки результатов выдерживаются в строгом соответствии с требованиями стандарта. Чаще всего испытывают материалы сжимающей или растягивающей нагрузкой (рис. 5). Предел прочности при сжатии или растяжении R рассчитывают по формуле

где ^разр — разрушающая нагрузка; А — площадь первоначального сечения образца в

Рис. 5. Схема определения предела прочности: а — при сжатии, б — при растяжении

плоскости, перпендикулярной действию силы Fpa3p.

Нагрузку выражают в меганьютонах, площадь — в м2, поэтому в Международной системе единиц предел прочности, как и напряжение, измеряется в МН/м2 или в МПа. Однако в ряде действующих нормативных документов сохранилась размерность предела прочности в технической системе единиц — кгс/см2. Приблизительное соотношение между ними: 1 МПа = 10 кгс/см2.

Прочность строительных материалов колеблется в очень широких пределах. Так, для гранита предел прочности при сжатии достигает 120... 250 МПа, конструкционного бетона 80, керамического и силикатного 18

кирпича — 30 МПа. Наименее прочны теплоизоляционные материалы (0,1...1МПа).

Предел прочности при растяжении для обычной строительной стали составляет 380 МПа, тяжелого бетона — 1...4 МПа.

Большинство строительных материалов — это хрупкие тела, которые разрушаются без заметных пластических деформаций. Предел прочности при сжатии таких материалов, как бетон, гораздо больше предела прочности при растяжении. Это значит, что их можно использовать только для возведения сжимаемых конструкций — колонн, стен.

Некоторые материалы характеризуются прочностью при растяжении, равной или большей прочности при сжатии (сталь, древесина). Их применяют в изгибаемых или растягиваемых конструкциях — балках, ригелях, элементах строительных ферм. Для расширения конструктивных возможностей хрупких каменных материалов в их состав вводят элементы, хорошо сопротивляющиеся растяжению. Например, сочетание бетона со стальной арматурой дает железобетон.

Для оценки сравнительной эффективности конструкционных материалов используют понятие удельной прочности, т.е. прочности, которая приходится на единицу массы конструкции. Численная характеристика удельной прочности — это коэффициент конструкционного качества, определяемый по формуле

Кк.к=КК' 07)

где R — предел прочности материала при сжатии или растяжении, МПа; Рщ ~ средняя плотность материала.

Если выражать среднюю плотность материала по отношению к плотности воды, равной 1 г/см3, то рт оказывается безразмерной величиной. В этом случае размерность АГКК будет та же, что и предела прочности, т.е. МПа. Данные об удельной прочности некоторых материалов помещены в табл. 2.

Т а б л,и ц а 2. Удельная прочность конструкционных материалов

Материал Предел прочности, МПа Рт V

"к.к>

при сжатии при растяжении

МПа

Стеклопластик __ 450 2 225

Древесина сосны (без

пороков)

Сталь: - 100 0,5 200

высокопрочная - 1000 7,85 127

строительная Тяжелый бетон 40 390 7,85 2,4 50 17

Керамический кирпич 15 - 1,8 8

19

Для возведения несущих конструкций эффективны такие материалы, в которых высокая прочность сочетается со сравнительно низкой

плотностью.

Механические свойства материалов характеризуются диаграммой деформаций, которую строят в координатах "механическое напряжение

а — относительная деформация е" (рис. 6).

Начальные участки диаграмм деформирования прямолинейны. Это означает, что материал работает как упругое тело и его деформация пропорциональна напряжению. Связь деформации е и напряжений о в области упругой работы ма-Рис. 6 диаграмма деформаций стали (а) и ^ ^ ке QA Qm_

бетона (б) г> т^

сывается законом Р.Гука:

о = Ее. (18)

где Е — модуль упругости данного материала, называемый также модулем Т.Юнга. Размерность модуля Юнга такая же, как у напряжения, т.е. МПа, поскольку е — безразмерная величина.

Модуль упругости характеризует жесткость материала, его способность деформироваться под влиянием внешних сил. Чем выше Е, тем менее материал склонен к деформациям. Такие конструкционные материалы, как сталь, железобетон, отличаются высокими значениями модуля упругости.

При увеличении напряжений в стальном образце наблюдается пластическое разрушение, отмеченное площадкой текучести (рис. 6,д). Бетон характеризуется хрупким разрушением, при котором пластические деформации невелики — площадка текучести отсутствует (рис. 6,6).

Некоторые материалы, например бетон в фундаментах машин или в конструкции дорожного покрытия, подвержены действию ударных повторяющих нагрузок. Для характеристик свойств в этих случаях применяют понятие динамической прочности, т.е. способности материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Динамическую прочность выражают количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца и отнесенной к единице его объема или площади поперечного сечения (Дж/м3 илиДж/м2).

Традиционные методы определения прочности материалов связаны с изготовлением стандартных образцов, которые во время испытания доводят до разрушения. Однако неизбежно встает вопрос, насколько прочность материала в образцах соответствует прочности его в реальной конструкции. Чтобы достоверно судить, например, о прочности бетона, из конструкции выбуривают большое число кернов, что может ослабить конструкцию. 20

Небольшую часть сборных железобетонных конструкций подвергают испытанию до разрушения с целью проверки прочности, жесткости и тре-щиностойкости изделий. Для сплошного контроля качества изделий традиционные, так называемые разрушающие, методы испытаний непригодны.

Используя неразрушающие методы контроля, можно оценить прочность материала по косвенным характеристикам. Наиболее распространен импульсный ультразвуковой метод. Его физической основой является связь между скоростью распространения упругих волн и характеристиками материала: его плотностью и упругими свойствами, в частности модулем Юнга. Чем плотнее материал, тем быстрее распространяются в нем ультразвуковые волны. С повышением плотности возрастает и прочность материала. Это позволяет увязать прочность непосредственно со скоростью распространения в теле материала упругих ультразвуковых волн.

Ультразвуковые волны — это упругие колебания среды с малой длиной волны и частотами, превышающими предел слышимости — свыше 20 кГц. Ультразвуковые волны не вызывают в бетоне и подобных ему строительных материалах никаких изменений.

С помощью ультразвуковой аппаратуры можно контролировать прочность бетона в любой части конструкции. Для этого изготовляют контрольные образцы из бетона с применением материалов, используемых на данном строительстве. После затвердевания бетона к заданному сроку определяют скорость прохождения ультразвука в образцах, затем их испытывают на прочность обычным, т.е. разрушающим, методом. Результаты всех испытаний наносят на градуировочный график "скорость ультразвука — предел прочности бетона при сжатии Л".

Располагая таким графиком, можно приступать к оценке прочности на любом участке бетонной конструкции. Чаще пользуются способом сквозного прозвучивания. При этом ультразвуковые преобразователи (датчики) устанавливают на противоположных поверхностях изделия или конструкции, определяют время прохождения ультразвукового сигнала t, мкс. Измерив толщину конструкции /, рассчитывают скорость распространения ультразвука v по формуле v = l/t, км/с. Далее по градуировочному графику находят искомую прочность на исследуемом участке конструкции.

Таким путем можно получить картину фактической прочности бетона во всех частях конструкции, оценить однородность бетона и качество бетонных работ.

Твердость — свойство поверхностных слоев материала сопротивляться местным деформациям. Твердость большинства материалов определяют путем вдавливания в образцы с установленным усилием стального шарика либо твердого наконечника правильной геометрической формы — конуса или пирамиды. После удаления нагрузки н поверхности испытываемого материала остается отпечаток. Чем меньше отпечаток, тем выше твердость материала. Отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка называется числом твердости поБри-неллю и обозначается НВ. Твердость вычисляют в МПа. й

Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, пРВДс™вле™°И десятью минералами эталонами (табл. 3). Каждый ™™Я^*Н™™* ?ал в шкале твердое™ оставляет своим острым ^«цом царапинуна всех Предыдущих. Всем минералам-эталонам присвоены условные числа твер достиот 1 до 10.

Таблица 3. Шкала твердости минералов____________________

Число твердости

Минерал

1 Тальк

2 Гипс

3 Кальцит

4 Флюорит (плавиковый

шпат)

5 Апатит

6 Ортоклаз

7 Кварц

8 Топаз

9 Корунд

10 Алмаз

Характеристика твердости

Легко царапается ногтем

Царапается ногтем

Легко царапается стальным ножом

Царапается стальным ножом под небольшим нажимом

Царапается стальным ножом под сильным нажимом

Слегка царапает стекло

Легко царапает стекло

Тоже

По твердости можно судить о других механических свойствах материала. Так, показатель твердости используют для оценки прочности бетона неразрушающими ударными методами (склерометрические испытания). Характеристика твердости имеет важное значение при выборе материалов для покрытия полов и дорожных одежд.

Истираемость — свойство образца материала уменьшаться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. Истираемость И, г/см2, выражается потерей массы материала, отнесенной к площади истираемой поверхности А:

И=(т!-т2)М, (19)

где И) ии2 - масса образца до и после испытания.

Сопротивление истиранию определяют путем воздействия на образец материала стандартными абразивами — кварцевым песком или наждаком. Это свойство имеет решающее значение при выборе долговечных материалов для лестничных ступеней, полов, автомобильных дорог.

Рассмотренные в главе I свойства наиболее часто употребляют для характеристики строительных материалов, поэтому эти свойства называют основными. Кроме того, для конкретных материалов необходимо выделять и специальные свойства. Например, для вяжущих веществ — 22

это способность к твердению, для бетонных смесей - удобоукладывае-мость и т.д. Они будут рассмотрены при изучении конкретных материалов.

Контрольные вопросы

1. Чем различаются понятия истинная и средняя плотность строительного материала? 2. Проследите влияние пористости на основные свойства материала. В каких случаях нужны материалы с высокой пористостью и когда она нежелательна? 3. Чем различаются понятия влажность н водопоглощение материала? 4. Сопоставляя формулы для вычисления пористости и водопоглощения по объему, покажите, почему водопоглощение по объему не может быть больше пористости материала. 5. Может ли численное значение водопоглощения по массе превышать пористость? Какой характер пор должен при этом быть в материале? 6. Как оценить водостойкость материала? Приведите примеры водостойких и неводостойких строительных материалов. 7. Объясните физические причины разрушения материалов при циклическом замораживании. Как испытывают строительные материалы на морозостойкость и в каких единицах выражают эту величину? 8. Для каких материалов и строительных конструкций важна низкая теплопроводность? Какова структура у теплоизоляционных материалов? 9. Почему при использовании теплоизоляционных материалов в зданиях и инженерных сооружениях экономятся топливо и электроэнергия? 10. В чем различие понятий огнестойкость и огнеупорность материалов? 11. Сопоставьте понятия прочность, предел прочности к механическое напряжение. Что общего в этих понятиях и что их различает? 12. Сравните свойства — упругость и пластичность. 13. Какие конструкционные материалы, наиболее эффективны? Сопоставьте материалы, приведенные в табл. 2. Рассчитайте коэффициенты конструкционного качества наиболее употребительных материалов (по указанию преподавателя). 14, Чем различаются понятия твердость и прочность'! В каких частях зданий применяют материалы с высокой твердостью и малой истираемостью?

14.12.2017
Реклама: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9