2.4.4. Механічні властивості будівельних матеріалів

Механічні властивості характеризують здатність матеріалів чинити опір дії зовнішніх механічних сил – навантажень (рис. 2.17).

Розрізняють два типи навантажень:

1) статичні, які діють постійно і виникають від обладнання, конструкцій, меблів і т.д.;

2) динамічні, які прикладаються раптово, виникають у результаті природних катастроф, вибухів.

Зовнішні сили, які діють на матеріал, викликають його деформації та можуть призвести до руйнування.

Рис. 2.17. Механічні властивості будівельних матеріалів

Деформативні властивості. Характеризують здатність матеріалу до зміни форми та розмірів (деформуванню) під дією зовнішніх сил. До деформативних властивостей відносяться пружність, еластичність, пластичність, крихкість, повзучість і текучість.

Пружність – здатність матеріалу відновлювати після зняття навантаження початкову форму і розміри. В залежності від величини діючої сили відновлення може бути повним або неповним. Прикладами пружного матеріалу є сталь, дерево.

Еластичність – здатність до значних пружних деформацій під дією порівняно незначних навантажень, початкова форма і розміри в основному відновлюються після зняття навантажень (гума, каучук, поролон).

Пластичність – здатність матеріалу при навантаженні в значних межах змінювати форму без утворення тріщин і зберігати цю форму після зняття навантаження. Більшість розчинних сумішей володіють високою пластичністю.

Крихкість – здатність матеріалу під дією навантаження руйнуватися без помітних деформацій (бетон, кам’яні матеріали, скло). Крихкі матеріали погано опираються удару.

Властивості міцності будівельних матеріалів.

Міцність – здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією внутрішніх напружень, викликаних зовнішніми силами – навантаженнями.

Будівельні матеріали та вироби, які піддаються різним навантаженням в конструкціях будівель та споруд, зазнають різні напруження. Найбільш характерними зовнішніми навантаженнями для них є стиснення, розтягнення, вигин і удар. Природні кам’яні матеріали чинять великий опір стисненню. Такою ж властивістю характеризуються і штучні кам’яні матеріали (бетон, будівельні розчини, керамічні матеріали, скло). Сталь, деревина, деякі види пластмас (склопластики) добре працюють як на стиснення, так і на розтягнення.

Міцність кількісно оцінюється межею міцності.

Межа міцності R – критичне напруження, при якому настає руйнування матеріалу.

Визначення межі міцності виконується при випробуванні до руйнування стандартних зразків (виготовлених окремо або випиляних з конструкції) на спеціальних пресах або розривних машинах.

Межа міцності матеріалів, яка визначається при випробуванні зразків, є умовною характеристикою, тому що залежить від форми та розмірів зразків, типу конструкції випробної машини та швидкості навантаження.

Оскільки будівельні матеріали неоднорідні за будовою, то межу міцності визначають як середній результат випробування серії стандартних зразків. Форми та розміри зразків повинні відповідати вимогам ДСТУ або ТУ (наприклад, для бетону – куб з ребром 15 см, для розчину – куб з ребром 7,07 см для випробування на стиснення).

Межа міцності при стисненні Rст, МПа, рівна частці від ділення руйнівної сили Pруй на площу поперечного перерізу зразка S (куба, циліндра, призми) (рис. 2.18):

Rcт=Pруй/S.

Рис. 2.18. Визначення межі міцності при стисненні

Межу міцності при вигині Rвиг, Мпа, визначають шляхом випробування зразка матеріалу у вигляді призми, вкладеної на двох опорах (рис.2.19).

Рис.2.19. Визначення межі міцності при вигині:

1 – плити преса; 2 – зразок; 3 – пристосування до преса для випробування зразків на вигин

Зразок навантажують однією або двома зосередженими силами до руйнування. Вираховують Rвиг за наступними формулами:

■ при прикладанні однієї зосередженої згинальної сили

Rвиг=3Рl/(2bh²),

де l - відстань між опорами; b i h – ширина і висота поперечного перерізу зразка відповідно;

■ при двох силах

Rвиг=Рl/(bh²).

Межа міцності при розтягненні Rр, Мпа, використовується у якості характеристики міцності сталі, бетону, волокнистих матеріалів.

Визначення Rр здійснюється на пресах з захоплювальними пристроями, які тягнуть зразки у різні сторони.

У крихких і пластичних матеріалах неоднакове співвідношення між різними видами міцності:

■ пластичні - Rр ≈ Rвиг ˃ Rст (метали, деревина);

■ крихкі - Rст ˃ Rвиг ˃ Rр (бетон, цегла, кам'яні матеріали). Значення Rст перевищує Rр в 10 – 15 разів і більше.

Межа міцності матеріалу (частіше при стисненні) визначає його марку.

Марки портландцементу М400, М500, М550 і М600 відповідають межі міцності при стисненні кгс/см².

Спеціальні механічні властивості. До них відносяться стирання, твердість.

Стирання – здатність матеріалу чинити опір стиральному впливу.

Опір стиранню визначають головним чином для матеріалів, призначених для підлог, дорожніх покриттів, сходинкових маршів (наприклад, для лінолеуму, плитки для підлоги, тротуарної плитки).

Твердість – здатність матеріалу чинити опір проникненню у нього іншого більш твердого тіла (поверхнева міцність).

Для різних матеріалів твердість оцінюють по-різному.

Твердість для природних кам'яних матеріалів – за відносною шкалою твердості або шкалі Мооса. Шкала складається з 10 еталонних мінералів (табл.2.3). Зразком, що випробовується, дряпають стандартні зразки і визначають твердість, матеріалу, що випробовується, за шкалою Мооса.

Твердість деревини, металів, бетону визначають, вдавлюючи в них сталеву кульку або твердий наконечник (у вигляді конусу або піраміди) (рис. 2.20).

Спосіб Бринеля (рис. 2.20, а) заснований на тому, що в плоску поверхню матеріалу вдавлюють під постійним навантаження загартовану кульку. За міру твердості приймають відношення навантаження до площі поверхні відбитку кульки.

Рис. 2.20. Методи визначення твердості матеріалів:

а – по Бринелю (вдавлювання у виріб загартованої сталевої кульки); б – по Роквеллу (вдавлювання алмазного конусу); в – по Віккерсу (вдавлювання чотирьохгранної алмазної піраміди)

Для випробування твердих матеріалів застосовують спосіб Роквелла (рис. 2.20, б). Спосіб полягає у вимірюванні глибини проникання твердого наконечника індентора (алмазного конуса з кутом при вершині 120º) у досліджуваний матеріал при прикладанні однакового для кожної шкали твердості навантаження, в залежності від шкали зазвичай 60, 100 і 150 кгс.

Сутність методу Віккерса (рис. 2.20, в) полягає у вдавлюванні в досліджуваний матеріал правильної чотиригранної алмазної піраміди з кутом 136º між протилежними гранями.

Твердість по Віккерсу вираховується шляхом ділення навантаження P на площу поверхні отриманого пірамідального відбитка.