книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

Пластичность - свойство материала под действием на­ грузки изменять форму и размеры без разрушения и образова­ ния трещин и сохранять измененную форму после снятия на­ грузки. Примерами пластичных материалов служат глинное тес­ то, бетонные и растворные смеси, металлы, пластмассы. Пластичные материалы легко формуются, хорошо расстилаются по поверхности.

Свойство материала пластически деформироваться при по­ стоянной нагрузке, несколько превышающей предел упругости, называется текучестью На рис. 2.2, б участок диаграммы А-Б характеризует способность материала к текучести, а уча­ сток А-В - к пластическим деформациям (ет). Непрерывное возрастание деформаций под действием постоянной длительной нагрузки называют ползучестью. Она характерна почти для всех строительных материалов.

Полная деформация пластичных материалов г (бетона, ста­ ли) складывается из упругой (syn), пластической (е^) и псевдопластической (епп) частей (см. рис. 2.2):

2.2.2.2. Прочностные свойства

Прочность - свойство материалов сопротивляться разру­ шению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т.п.).

Прочность материала оценивают пределом прочности R. Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бе­ тонов, строительных растворов, кирпича и т.п.) основной проч­ ностной характеристикой является предел прочности при сжа­ тии. Поскольку строительные материалы неоднородны, то пре­ дел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов (обычно не менее трех образцов). Форма и раз­ меры образцов, состояние их опорных поверхностей существен­ но влияют на результаты испытания. Например, у кубов малых размеров предел прочности при сжатии оказывается выше, чем

аg и плитами пресса, удерживают час­ ти образца, прилегающие к плитам,

от поперечного расширения и, сле­ довательно, от разрушения. Сред­ ние же части образца, испытывая поперечное расширение, разруша­ ются в первую очередь. Поэтому

при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, камня и т.п.) получается характерная форма разрушения: обра­ зуются две усеченные пирамидки, сложенные вершинами (рис. 2.4).

Если же хорошо смазать опорные грани куба (например, парафином) и тем самым уменьшить силы трения, то под на­ грузкой куб, вследствие свободного поперечного расширения, распадается на ряд слоев, разделенных вертикальными трещи­ нами (см. рис. 2.4, б). При смазке прочность куба при сжатии составляет лишь 50 % прочности того же образца с несмазан­ ными поверхностями.

На результаты испытания влияет скорость нагружения об­ разца. Если нагрузка возрастает быстрее, чем установлено стан­ дартом, то результат получается завышенным, так как не успеют развиться пластические деформации.

Чем меньше время нагружения, тем большее напряжение нужно приложить, чтобы материал разрушился. Таким образом, при динамической нагрузке предел прочности оказывается вы­ ше, чем при статической, и степень этого превышения зависит от времени и скорости нагружения, и тогда коэффициент дина­ мического упрочнения Клу будет больше единицы:

Приведенные примеры говорят о том, что показатели проч­ ности строительного материала, используемые в качестве харак­ теристик его качества, являются условными величинами, полу­ чаемыми по стандартным методикам, единым для всей страны. Поэтому в строительных материалах, применяемых в сооруже­ ниях, следует допускать напряжения, составляющие только часть предела прочности, то есть допускаемые напряжения:

СНиПов и СП.

По прочности строительные материалы разделяются на марки, которые являются важнейшими показателями качест­ ва продукта. В нормативных документах марка указывается в кг/см2; например, марки тяжелого бетона М100, М200... М800. Чем выше марка, тем выше несущая способность конструкци­ онного материала. Единая шкала марок охватывает все строи­ тельные материалы.

Под м а р ко й понимают значение средней прочности R (в кгс/см2), в марочном возрасте округленное до значений бли­ жайшей марки по таблицам стандарта на данный материал.

При расчете среднего значения прочности R принимаются во внимание все значения прочности отдельных образцов одной партии (кроме дефектных образцов). При этом колебания от­ дельных значений прочности в партии могут быть очень боль­ шими. Для того чтобы снизить влияние неоднородности мате-81

18 Марка хрупких материалов на минеральных вяжущих вещест­ вах (бетонах, растворах), и марка керамики определяется по пределу прочности на сжатие. Марка пластичных материалов (металлов, пла­ стиков и полимеров) определяется по пределу прочности на растя­ жение.

риала на его несущую способность, прочность ряда конструкци­ онных материалов оценивают классами.

Класс по прочности В отвечает значению гарантирован­ ной прочности материала (в МПа) с обеспеченностью 95 %.

Например, класс бетона по прочности определяется по формуле

где R - средняя прочность бетона по результатам испытаний, МПа; ta - коэффициент Стыодента; Vn - коэффициент вариа­ ции прочности на производственном потоке.

Например, для бетонов соотношение между марками и классами при коэффициенте вариации прочности на производ­ ственном потоке 13,5 % можно представить в виде следующего ряда (табл. 2.5):

частному от деления разрушающей силы Р разр на первоначаль­ ную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы):

В табл. 2.6 систематизированы характерные образцы, при­ меняемые для определения предела прочности строительных материалов при сжатии.

Предел прочности при осевом растяжении Rp (в МПа) используется в качестве прочностной характеристики стали, бе­ тона, волокнистых и других материалов (см. табл. 2.6). В зави­ симости от соотношения Яр/ Ясжможно условно разделить мате­ риалы на три группы: материалы, у которых Яр>ЯсЖ(волокни­ стые - древесина и т.п.); Яр « Я<.ж(сталь); ЯР<ЯСЖ(хрупкие материалы - природные камни, бетон, кирпич).

Предел прочности при изгибе Rn(в МПа) определяют пу­ тем испытания образца материала в виде баночек на двух опо­ рах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения. Предел прочности условно вычисляют по той же формуле сопротивления материалов, что и напряжение при изгибе:

и2-b-h2

где М - изгибающий момент; W - момент сопротивления (см. табл. 2.6).

В табл. 2.6 и 2.7 приведены схемы испытания и соответст­ вующие им расчетные формулы. Эти формулы, строго говоря, справедливы в пределах упругой работы материала и при оди­ наковом его сопротивлении сжатию и растяжению. Эти условия не выполняются в стадии разрушения материала. При испыта­ нии на изгиб кирпича, бетонных балочек разрушение начинает­ ся в нижней растянутой зоне, так как эти материалы имеют зна­ чительно меньшую прочность при растяжении, чем при сжатии. Поэтому по формулам вычисляют условное значение предела прочности при изгибе, являющееся стандартной прочностной характеристикой кирпича, строительного гипса, цемента, до­ рожного бетона.

Динамической или ударной прочностью {ударной вязко­ стью) называют свойство материала сопротивляться разру­ шению при ударных нагрузках. Ее характеризуют отношени­ ем количества работы, затраченной на разрушение стандартного

лов промышленных зданий, лестниц, бункеров, дорожных покрытий и т.п.

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества - ККК) материала равна отношению показателя проч­ ности R (в МПа) к его средней плотности (кг/м3):

Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой собственной плотности. Значения ККК

для некоторых материалов:

• для стеклопластика 450/2000* 10"3 = 225 МПа/кг-м"3;

•для древесины (без пороков) 100/5,000 = 200 МПа/кг-м"3;

•для стали высокопрочной 1000/7,850 = 127 МПа/кг-м"3. Для каменных материалов значения ККК составляют:

• для легкого конструкционного бетона 40/1,800 =

=22,2 МПа/кгм"3;

•для тяжелого бетона 40/2,400 = 16,6 МПа/кг-м"3;

•для легкого конструкционно-теплоизоляционного бето­ на 10/0,800 = 12,5 МПа/кг-м"3;

•для кирпича 10/1,800 = 5,56 МПа/кг-м"3.

Чем больше удельная прочность материала, тем выше мо­ жет быть здание, построенное из него.

При испытаниях в материалах могут развиваться процессы хрупкого (в природных и искусственных камнях, стекле, чугуне) или пластического (в полимерах, битуме, ряде металлов) раз­ рушения.

Пластическому разрушению свойственно постепенное утоиыыение одного из сечений испытываемого образца. Поэто­ му для определения предела прочности при растяжении таких материалов обязательно измеряют относительное удлинение при разрыве и рассчитывают модуль упругости пластичного ма­ териала, который характеризует степень жесткости испытуемого материала. Например, так определяют прочность у битумов и лакокрасочных материалов.

Строение материала влияет на его прочность. Проч­ ность одного и того же состава зависит от его пористости. На рис. 2.5 представлен график зависимости прочности цемент-

ции, возникающей при внедрении в него более твердого мате­ риала. Твердость природных каменных материалов оценивают по шкале мооса, представленной десятью минералами, из кото­ рых каждый последующий способен своим острым концом нанести царапины на поверхности предыдущих. Эта шкала включает в себя минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:

Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых дру­ гих строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пи­ рамиды). В результате испытания вычисляют число твердости