книги / Строительные материалы

шим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция ее распространения (рис. 1.18).

5. Твердость, истираемость и износ

Твердость — свойство материала сопротивляться мест­ ной пластической деформации, возникающей при внедре­ нии в него более твердого тела. Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью ми­ нералами, из которых каждый последующий своим ост­ рым концом царапает все предыдущие. Эта шкала вклю­ чает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10:

жом под небольшим нажимом.

5.Апатит Ca5[P 04] 3F — царапается ножом под сильным нажимом.

6.Ортоклаз КгО.АЬОз-бБЮг — царапает стекло.

Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной Шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычис­ ляют число твердости H B= P/F, где F — площадь по­ верхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверх­ ности истирания F, и вычисляют по формуле, г/см2:

пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевым песком или наждаком). Это свойство важно Для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц и т. п.

Износом называют свойство материала сопротивлять­ ся одновременному воздействию истирания и ударов, Из­

нос определяют на образцах материалов, которые испы­ тывают во вращающемся барабане со стальными шара­ ми или без них. Показателем износа является потеря массы пробы материала в результате проведенного ис­ пытания (% к первоначальной массе).

6. Реологические модели

Реология — наука о деформациях и текучести ве­ щества, исследующая различные деформации материа­ лов в зависимости от напряжений. Механические свойст­ ва материалов моделируют, используя три простых рео­ логических тела, определяющих три фундаментальных свойства: упругость, пластичность и вязкость.

Моделью упругого материала, подчиняющегося зако­ ну Гука, служит спиральная пружина (рис. 1.19,а), де­ формация которой прямо пропорциональна напряжению и не зависит от времени. После снятия нагрузки дефор­ мация становится равной нулю, следовательно, деформа­ ция этого упругого твердого тела обратима. Поведение (деформации) упругого тела под нагрузкой определяется одним реологическим параметром — модулем упругости (модулем Юнга), Па:

и изображается на диаграмме а—е тангенсом угла на­ клона прямой (рис. 1.19, в).

Модель пластичного тела Сен-Венана представляет собой груз, покоящийся на столе (элемент сухого трения; рис. 1.20). Груз начнет перемещаться, когда напряжение

Деформация вязкого течения е Вязк при постоянном на­ пряжении сдвига возрастает пропорционально времени (рис. 1.21,6). Поведение жидкости моделируют жидкост­ ным элементом (рис. 1.21,а), в котором поршень пере­ мещается под действием приложенной силы, при этом жидкость протекает через кольцевой зазор между стен­ ками цилиндра и поршнем.

простых тел: пружины, жидкостного элемента и элемен­ та сухого трения, соединенных последовательно (рис. 1.22). Возрастающее напряжение сначала вызывает упру­ гую деформацию пружины, затем при достижении пре­ дела текучести смещается элемент сухого трения, и в ра­ боту включается жидкостный элемент, а к упругой де­ формации добавляется деформация вязкого течения. Сле­ довательно, общая деформация

зуется тремя реологическими параметрами: £, от и тр Эта модель достаточно универсальна и часто использует­ ся для описания деформативных свойств жидкообразных материалов и паст (красок, глиняного теста, бетонной смеси и др.), а также твердых материалов (бетона, ме­ талла) и др. Например, стальной образец — стержень при возрастающем растягивающем напряжении сначала деформируется упруго (см. участок ОА на рис. 1.10), а при достижении предела текучести удлиняется при по­ стоянном напряжении, как бы «течет» (см. площадку те­ кучести АВ на рис. 1.10,6). Другой пример: чтобы крас­ ка не стекала с поверхности стены, нужно придать кра­ сочному составу достаточный предел текучести; однако при окраске кистью вязкость краски следует по возмож­ ности снизить, чтобы рука не утомлялась.

Модель Шведова — Бингама используется также при расчете трубного транспорта бетонных смесей (перекач­ ке бетононасосами) и гидромасс (при намыве земляных плотин).

Поведение материалов, сочетающих упругие и вязкие свойства, можно описать с помощью модели Максвелла, состоящей из последовательно соединенных пружины и элемента (рис. 1.23,а). В первый момент времени t0 со­ противление создается упругим элементом и возникает упругая деформация еупр, неизменяющаяся при постоян­ ном напряжении. В период времени от /0 До t\ деформа­ ция возрастает вследствие вязкого течения (оно модели­ руется жидкостным элементом, присоединенным к пружине). В момент времени t\ при снятии нагрузки упру­ гая составляющая деформации равна нулю, но вязкое

смещение еВяэк сохраняется, так как оно необратимо. Следовательно, полная деформация е асфальтобетона, пластика и т. п. содержит упругую и вязкую составляю­ щую:

8 = вуир -{- 80язк*

В соответствии с законом Гука и приведенной выше формулой для евязк получаем следующее уравнение уп­ руго-вязкой деформации:

Примером вязкого течения материала асфальтового по­ крытия дороги является след шин, вдавившихся в него

Максвелла полная деформация е равна сумме упругой и вязкой составляющих:

еупр Ч” 8вязк — const.

Следовательно,

Поскольку

&упр = о/Е, а еВПзн — — at/H,

получим

Введем постоянную времени релаксации

тогда

где 0_ напряжение по прошествии времени /; а0 — первоначальное напряжение.

Из формулы (1.45) видно, что релаксация напряже­ ния следует экспоненциальному закону (рис. 1.23,в). Скорость релаксации напряжения характеризуется вре­ менем релаксации — промежутком времени, в течение ко­ торого напряжение уменьшается в е раз по сравнению с первоначальным (где е — основание натуральных лога­ рифмов).

Пример (по Ван-Флеку). Для увеличения длины каучуковой лен­ ты с 10 до 140 мм необходимо приложить напряжение 8,44 МПа. После выдержки ленты в этом положении в течение 42 сут напряже­

Деформативные свойства материалов зависят от тем­ пературы. При нагревании они размягчаются и перехо-

бв

б)

Рис. 1.24. Модель вязкоупругости

а — модель деформаций: 1 — упругий элемент; 2 — вязкоупругий элемент (реологическое тело Кельвина); 3 — вязкий элемент; б — реологическая кри­

вая развития деформации во времени

дят в пиропластическое (глина, стекло и др.) или кау­ чукоподобное (линейные полимеры) состояние, затем плавятся и становятся жидкотекучими. Следовательно, в зависимости от температуры материал может проявлять упругие, вязкоупругие и вязкие свойства. Для анализа деформаций материалов в температурном интервале, ох­ ватывающем эти три состояния, может быть использова­ на модель, включающая три элемента: 1— упругий; 2— вязкоупругий; 5— вязкий (рис. 1.24,а). Полная деформа­ ция этой модели равна сумме деформации каждого по­ следовательно расположенного элемента:

в = ex + ег + е3.

Поскольку каждый элемент модели функционирует раз­ дельно, он характеризуется своими значениями Е и rj, поэтому

На рис. 1.24,6 представлено развитие деформации во времени. После прекращения действия напряжения, на­ чиная с момента времени tu упругая ei и вязкоупругая е2 составляющие деформации становятся равными нулю, а вязкая деформация е3 необратима.

Долговечность — свойство изделия сохранять работо­ способность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определя­ ется степенью разрушения изделия, требованиями безо­ пасности или экономическими соображениями. Долговеч­ ность строительных изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкрет­ ных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности, причем пер­ вая соответствует сроку службы не менее 100 лет, вто­ рая— не менее 50 лет, третья — не менее 20 лет. Долго­ вечность определяется совокупностью физических, меха­ нических и химических свойств материала. Ее нужно оце­ нивать применительно к конкретным условиям эксплуа­ тации.

О долговечности судят, подвергая материал испыта­ ниям, которые по возможности воспроизводят воздейст­ вия в натуре. Моделирование воздействий среды в усло­ виях лабораторных испытаний представляет достаточно сложную задачу. Например, долговечность лакокрасоч­ ных покрытий устанавливают, применяя специальную ус­ тановку «погоды» (везерометр), позволяющую подвергать материал чередующимся воздействиям дождевания, об­ лучения ультрафиолетовыми лучами, действию различ­ ных температур. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями материалов в виде образцов или непосредственно в сооружениях. Стенды с образцами располагают на крыше здания («крышные» испытания кровельных и отделочных материалов) либо в зоне при­ лива, и отлива морской воды (бетоны для морских соору­ жений) и т. п.

Надежность представляет собой общее свойство, ха­ рактеризующее проявление всех остальных свойств изде­ лия в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны между собой.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынуж­ денных перерывов на ремонт. К показателям безотказно­ сти относят вероятность безотказной работы. Отказом

называют событие, при котором система, элемент или из­ делие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря работоспособности вызывается такой неисправ­ ностью, при которой хотя бы один из основных парамет­ ров выходит за пределы установленных допусков.

Ремонтопригодность — свойство изделия, характери­ зующее его приспособленность к восстановлению исправ­ ности и сохранению заданной технической характерис­ тики в результате предупреждения, выявления и устране­ ния отказов. Показателем ремонтопригодности является среднее время ремонта на один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения отказов.

Сохраняемость — свойство изделия сохранять обус­ ловленные эксплуатационные показатели в течение и пос­ ле срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость количествен­ но оценивают временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Горные породы — главный источник получения строи­ тельных материалов. Горные породы используют в про­ мышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики, стекла, теплоизоляционных и других изделий, а также для производства неорганиче­ ских вяжущих веществ — цементов, извести и гипсовых.

Сотни миллионов кубометров песка, гравия и щебня применяют ежегодно в качестве заполнителей бетонов и растворов. Широко используют природные каменные ма­ териалы для облицовки зданий и сооружений, устройства полов, лестниц, мощения дорог. СССР по запасам и раз­ нообразию горных пород не имеет себе равных. Изыска­ ния, проведенные в больших масштабах за годы Совет­ ской власти, дают полное представление о запасах и ге­ ографическом размещении минерального сырья.

Горные породы — это природные образования более или менее определенного состава и строения, образую­ щие в земной коре самостоятельные геологические тела.

Минералами называют однородные по химическому составу и физическим свойствам составные части горной

породы. Большинство минералов —твердые тела, иногда встречаются жидкие (самородная ртуть).

В зависимости от условий формирования горные по­ роды делят на три генетические группы: 1) магматиче­ ские породы, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания магмы; 2) осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов вывет­ ривания и разрушения различных горных пород; 3) мета­ морфические породы, являющиеся продуктом перекри­ сталлизации и приспособления горных пород к изменив­ шимся в земной коре физико-химическим условиям.

§ 2. МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Магматические горные породы слагают большую часть земной коры. Земная кора является наиболее неод­ нородной геосферой, она имеет три слоя: нижний — ба­ зальтовый; выше его — гранитный, и верхний сравни­ тельно тонкий чехол осадочных пород (рис. 2.1). Базаль­ товый слой коры состоит из пород основного состава, в пределах океанов его верхняя часть доступна непосредст­ венному изучению. Гранитный слой сложен преимущест­ венно породами кислого состава и различными метамор­ фическими породами.

В зависимости от условий образования выделяют две главные группы магматических пород — глубинные (ин­ трузивные) и излившиеся (эффузивные). Глубинные по-

/глг

Рис. 2.1. Схема строения земной коры

/ — осадочный чехол; 2 — граничный слой; 3 — базальтовый слой; 4 — верхняя мантия перндотитового состава; 5 — верхняя мантия эклогитового (гранитпо-

пироксенового) состава; цифры обозначают среднюю толщину слоя в км