Механические свойства

Сегодня очень важное значение имеют механические свойства строительных материалов. Они определяют, насколько тот или иной элемент способен сопротивляться деформирующему или разрушающему воздействию внешних сил. Всего выделяют несколько таких свойств. Основными являются: прочность, упругость, пластичность и твердость. О них и стоит поговорить подробнее.

Основные свойства строительных материалов.

Начать лучше всего с такого важного показателя, как прочность. Она характеризует способность материала выдерживать определенную нагрузку, которая действует на него. Это показатель предела прочности. Он показывает, какую нагрузку необходимо приложить при испытании опытного образца, чтобы тот полностью разрушился.

Каждый строительный материал характеризуется своим значением. Он может варьироваться в различных пределах. Чаще всего такой показатель, как предел прочности, указывают сами производители на упаковке продукции. Этот показатель очень важен для любого материала.

Упругость. Она характеризует способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Эта нагрузка изначально приводит к его деформации. Упругими считаются те материалы, которые полностью восстанавливают свою форму после снятия нагрузки. Таковых не так много в нашем мире. Примером может служить резина. Некоторые современные материалы не способны восстанавливать свою форму. Некоторые виды металла, к примеру, могут относиться к этой группе.

Физико-механические свойства кровельных битумных горячих мастик.

Пластичность для некоторых современных материалов имеет очень важное значение. Она характеризует способность вещества изменять свои формы и размеры после снятия нагрузки. При этом материал остается в таком же положении, в которое его привело действующее усилие. При этом взаимодействии с внешними факторами не должно образовываться никаких разрывов и трещин.

Примером таких веществ могут служить глина и раскаленный асфальт. Этот параметр зачастую не указывается на упаковке. Он изучается экспериментально. Это приводит к тому, что в результате некоторых доработок даже из не совсем качественного материала получается весьма неплохой результат.

Твердость также относится к основным механическим свойствам материалов строительного типа. Она показывает, насколько существующее вещество способно препятствовать проникновению в него другого материала. Из строительных материалов самую низкую твердость имеет тальк. Самый высокий параметр принадлежит алмазу.

Сегодня существует много методов проверки веществ на твердость. Чаще всего применяется метод вдавливания шарика или алмазного наконечника в вещество. Оба варианта широко используются при разработке новых материалов или при испытании уже существующих.

Механические свойства отражают поведение строительных материалов под воздействием различного вида нагрузок (сжимающих, растягивающих, изгибающих и т.п.).

Механические воздействия вызывают некоторые деформации. В случае, когда внешние нагрузки невелики, деформации вызванные ими, являются упругими, так как после того как нагрузки снимаются, материал возвращается к прежним размерам.

При достижении внешнего воздействия значительной величины помимо упругих деформаций появляются пластические, которые приводят к необратимым изменениям, а при достижении определенной предельной величины материал начинает разрушаться.

В зависимости от поведения под нагрузкой стройматериалы подразделяются на:

пластичные – те, которые изменяют форму без появления трещин, а после снятия нагрузки сохраняют измененную форму. Они, как правило, имеют однородную структуру и состоят из крупных молекул, способных смещаться относительно друг друга (органические вещества) или из кристаллов с легко деформируемой кристаллической решеткой (металлы);

хрупкие – они хорошо сопротивляются сжатию и гораздо хуже (в 5-50 раз) растяжению, удару, изгибу. К хрупким материалам относятся: природный камень, бетон, кирпич, стекло, гранит.

Ниже дан перечень механических свойств, определяемых для разных видов стройматериалов:

1. Прочность — характеризуется пределом прочности – отношение нагрузки, влекущей разрушение материала, к площади сечения. В зависимости от вида воздействующих сил различают:

предел прочности на сжатие (растяжение ) – определяется как отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца до испытания. Единица измерения МПа (кгс/см²);

предел прочности на изгиб – единица измерения также МПа (кгс/см²).

При выборе строительных материалов руководствуются тем, что допускаемые в конструкциях напряжения на прочность должны составлять только часть их предела прочности. Иными словами должен быть некоторый запас прочности.

Запас прочности необходим из-за неоднородности строения строительных материалов и невозможности учета многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.п. Обязательный запас прочности устанавливается в СНиПах и других строительных нормативах в зависимости от вида материала, его использования, долговечности строящегося здания.

2. Твердость - способность вещества сопротивляться проникновению в его поверхность иного более твердого тела правильной формы. Есть несколько методов определения твердости:

твердость каменных материалов и стекла – оценивают по шкале твердости Мооса, которая состоит из 10 минералов, расположенных по возрастанию их твердости: за 1 берут тальк или мел, а за 10 — алмаз. Показатель твердости испытуемого вещества находится между показателями 2 соседних материалов, из которых один чертит, а другой сам чертится испытуемым веществом;

твердость пластмасс и металлов – рассчитывается: по диаметру отпечатка от вдавливаемого стального шарика (это метод Бринелля); по глубине погружения алмазного конуса под действием нагрузки (это метод Роквелла); площади отпечатка алмазной пирамиды (метод Виккерса).

Показатель твердости важен при выборе материалов, используемых в конструкциях, подвергающихся износу и истиранию: дорожные покрытия, полы и т.п.

3. Истираемость - величина потери первоначальной массы материала, отнесенной к единице площади истирания. Сопротивление истираемости учитывают для строительных материалов полов, лестничных ступеней, дорожных покрытий.

4. Сопротивление удару — характеризуется количеством работы, требуемой для разрушения образца, отнесенным к единице объема. Применяется для материалов покрытия полов в цехах заводов и фабрик.

5. Износ - разрушение материалов, возникающее при одновременном воздействии истирающих и ударных нагрузок. Определяется для материалов покрытия дорог, полов заводов, аэродромов.

Физические свойства

Строительные материалы имеют следующие физические свойства:

общефизические;

гидрофизические;

теплофизические;

акустические.

3. Общефизические характеристики:

1. Плотность:

- истинная плотность (р) – масса единицы объема вещества, находящегося в абсолютно плотном состоянии, без пустот, пор и трещин. Единица измерения – кг/м³.

За единицу условно берут плотность воды при температуре 4 ⁰С. Большинство строительных материалов имеют истинную плотность больше единицы:

для каменных материалов – 2200-3300 кг/м³;

для органических (битумы, пластмассы, дерево) – 900-1600 кг/м³;

для черных металлов (сталь, чугун) – 7250-7850 кг/м³.

- средняя плотность (р_ср) – масса единицы объема материала в естественном состоянии, включая пустоты и поры. Единица измерения – кг/м³. Средняя плотность отражает показатели прочности. При одном и том же составе материал тем прочнее, чем выше его плотность.

Средняя плотность стройматериалов колеблется от 10 кг/м³ (полимерная воздухонаполненная мипора) до 2500 кг/м³ (тяжелый бетон) и 7850 кг/м³ (сталь). Для пористых материалов средняя плотность меньше истинной, а для абсолютно плотных (лаки, краски, стекла, металлы) — эти показатели равны.

- насыпная плотность (р_н) – определяется для насыпных стройматериалов и означает массу единицы объема сыпучих материалов в свободном насыпном состоянии (без уплотнения).

2. Пустотность - процент объема пустот в общем объеме. Используется для песка, керамзита, щебня при изготовлении бетона.

3. Пористость:

- общая (полная) пористость (П_п) – рассчитывается по величине истинной и средней плотности:

П_п=(1-р_ср/р)*100%.

Общая пористость прочного конструкционного бетона колеблется в интервале 5-10%, кирпича – 25-35%, пенопласта – 95%.

- открытая (капиллярная) пористость (П_о) – определяется по водопоглощению материала:

П_о=(m₁-m)/v*100%,

где m – масса в сухом состоянии, m₁ - масса в водонасыщенном состоянии, v – объем образца.

На свойства материала влияет не только показатель пористости, но и размер пор. Так, если количество замкнутых пор увеличивается, а их величина уменьшается, то повышается морозостойкость материала, а его теплопроводность снижается. При наличии крупных пор материал становится неморозостойким, проницаемым для воды, но при этом появляются значительные звукопоглощающие свойства.

4. Гидрофизические свойства:

1. Гигроскопичность - способность поглощать водяные пары из воздуха, а затем удерживать их. Вычисляется как отношение поглощенной массы влаги к массе сухого материала, выражается в процентах.

При уменьшении размера пор гигроскопичность выше, при этом в случае снижении влажности воздуха поглощенная влага испаряется. Гигроскопичность зависит от состава материала: некоторые из них притягивают молекулы воды и называются гидрофильными – бетон, стекло, древесина, кирпич; другие отталкивают и называются гидрофобными – полимерные стройматериалы, битум.

2. Водопоглощение – способность впитывать и удерживать воду. Показывает количество воды, поглощенной веществом, высушенным до постоянной массы и полностью погруженным в воду. Зависит от объема и природы пор (замкнутые или открытые), а также гидрофильности материала. Водопоглощение гранита 0,02-0,7%, тяжелого бетона – 2-4%, кирпича 8-15%. При насыщении водой стройматериалы меняют свои свойства: увеличивается их средняя плотность, объем и теплопроводность, а прочность снижается.

3. Водостойкость – характеризуется коэффициентом размягчения — отношение предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии в сухом состоянии. Коэффициент равен единице для металла и стекла, нулю для гипса и глины.

Материалы, у которых коэффициент водостойкости > 0,8 – считаются водостойкими, а если < 0,8, то неводостойкие и их нельзя применять в конструкциях, подвергающихся постоянному воздействию воды, например, дамбы, плотины, а также фундаменты при высоком уровне грунтовых вод.

4. Влагоотдача – способность отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Для характеристики строительных материалов используют влагоотдачу в естественных условиях, т.е. интенсивность потери влаги при температуре 20 ^оС и относительной влажности воздуха 60%.

5. Водопроницаемость – способность пропускать воду под давлением. Оценивается по значению коэффициента фильтрации, равного количеству воды, просочившемуся в течение 1 часа через 1 кв.м. площади материала при постоянном давлении. Показатель важен при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, стен подвалов при высоком уровне грунтовых вод.

6. Водонепроницаемость – характеризуется величиной, обратной коэффициенту фильтрации. Обозначается маркой W2, … W12, отражающей одностороннее гидростатическое давление в МПа (0,2; …;1,2), при котором материал не пропускает воду.

Если через строительный материал проникают газообразные продукты, то контролируют газопроницаемость, если воздух – воздухопроницаемость, пар – паропроницаемость.

При выборе строительных материалов для стен, покрытий зданий и защиты фасадов важны показатели паро- и воздухопроницаемости. Они должны быть дышащими, т.е. свободно пропускать пар из помещения, чтобы избежать повышения влажности. Учет воздухопроницаемости важен и при возведении наружных стен, и если она высокая, как, например, у крупнопористого бетона, то поверхность необходимо штукатурить для предотвращения продуваемости.

7. Морозостойкость – способность материала сохранять свою прочность при многократном попеременном замораживании в водонасыщенном состоянии и оттаивании в воде. Материал способен выдерживать морозное разрушение за счет наличия в его структуре замкнутых пор, в которые отжимается часть воды при кристаллизации льда. Марка морозостойкости строительных материалов обозначается F и показывает число циклов замораживания-оттаивания, которые способен выдержать материал без снижения прочности на 5-25% и массы на 3-5% в зависимости от назначения стройматериала: F50…F500 для тяжелого бетона; F25…F500 для легкого бетона; F15…F100 для кирпича, стеновых керамических камней.

8. Воздухостойкость - способность выдерживать многократное увлажнение и высушивание в течение длительного периода времени без потери механической прочности и деформаций. В таких условиях работают надводные части гидротехнических сооружений, дорожные покрытия и т.п

5. Теплотехнические свойства:

1. Теплопроводность – способность пропускать тепловой поток в условиях разных температур поверхности изделия. Характеризуется коэффициентом теплопроводности, равному количеству тепла, проходящего через стену толщиной 1 м площадью 1 кв.м. за 1 час при разности температур противоположных поверхностей стены 1 К, единица измерения – Вт/(м*К).

Теплопроводность зависит от вида материала, его строения, характера его пористости, влажности и температуры. При волокнистом строении материала, тепло вдоль волокон передается быстрее, чем поперек. Крупнопористые стройматериалы имеют большую теплопроводность, чем мелкопористые. При наличии в материале замкнутых пор теплопроводность меньше, чем при наличии сообщающихся пор. Вода в порах повышает теплопроводность, а при замерзании воды в порах теплопроводность повышается ещё больше.

2. Теплоемкость - способность поглощать тепло при нагревании. При охлаждении материалы отдают тепло, а скорость отдачи тем больше, чем выше теплоемкость. Коэффициент теплоемкости равен количеству тепла, необходимому для нагревания 1 кг строительного материала на 1 К, единица измерения – кДж/(кг*К).

Значение теплоемкости: неорганических строительных материалов (кирпич, бетон, природные камни) изменяется в пределах 0,75-0,92 кДж/(кг*К); древесины – 2,72 кДж/(кг*К). Так как вода обладает наибольшей теплоемкостью – 4 кДж/(кг*К), повышение влажности стройматериала влечет рост его теплоемкости.

3. Термостойкость – способность выдерживать без разрушения определенное количество резких колебаний температуры. Свойство определяется для огнеупорных и теплоизоляционных стройматериалов. Единица измерения – количество теплосмен.

4. Жаростойкость – способность выдерживать без нарушения сплошности и нарушения прочности температуру до 1000 ^оС.

5. Огнеупорность – способность выдерживать без разрушения и деформаций длительное воздействие высоких температур. В зависимости от показателей огнеупорности строительные материалы подразделяют на: огнеупорные – работающие без снижения свойств при температуре большей 1580 ^оС; тугоплавкие – 1580-1350 ^оС; легкоплавкие – менее 1350 ^оС.

6. Огнестойкость – способность в течение определенного времени сопротивляться действию огня при пожаре. В зависимости от категории здания по пожаробезопасности СНиПы устанавливают к конструктивным строительным материалам определенные требования по огнестойкости.

Оценка показателя осуществляется в зависимости от показателя возгораемости, основанного на 3 признаках предельного состояния: потеря несущей способности, сплошности и теплоизолирующих свойств. Предел огнестойкости характеризуется временем в часах с начала теплового воздействия и до возникновения одного из признаков предельного состояния. При этом стройматериалы делятся на:

несгораемые – кирпич, бетон, сталь, природные камни;

трудносгораемые – фибролит, асфальтобетон, некоторые полимеры. Эти материалы воспламеняются с трудом, тлеют/обугливаются, а после удаления огня горение и тление прекращаются;

сгораемые – битум, древесина, полимеры. Они загораются от огня, а горение продолжается даже после ликвидации источника огня.

6. Акустические свойства:

1. Звукопоглощение - способность поглощать шумовой звук. Определяется по величине коэффициента звукопоглощения, равного отношению количества поглощенной звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, попадающей на поверхность строительного материала в единицу времени.

Материал является звукопоглощающим, если у него коэффициент звукопоглощения больше 0,2. Такие материалы обладают открытой пористостью или шероховатой, рельефной поверхностью, поглощающей звук.

2. Звукоизоляция – способность ослаблять ударный звук, передающийся через строительные конструкции дома из одного помещения в другое.

3. Виброизоляция и вибропоглощение – предотвращение передачи вибрации от механизмов и машин к строительным конструкциям зданий.

Химические свойства

Химические свойства отражают способность строительного материала к химическому взаимодействию с другими веществами и определяются следующими показателями:

химическая активность;

химическая или коррозийная стойкость;

растворимость;

способность к адгезии и кристаллизации.

1. Химическая активность. Различают положительную и отрицательную химическую активность:

положительная – в процессе взаимодействия происходит упрочнение структуры вещества. Например, образование гипсового, цементного камня;

отрицательная – когда реакция взаимодействия вызывает разрушение материала – например, коррозия под действием кислот, солей, щелочей.

2. Адгезия — соединение жидких и твердых стройматериалов по поверхности, обусловленное межмолекулярным воздействием. В результате получаются многокомпонентные строительные материалы, например, железобетон, прочность которого обеспечивается монолитным соединением арматуры и заполнителей бетона с цементным камнем за счет адгезии.

3. Растворимость - способность материала образовывать с органическими растворителями или с водой однородные системы (растворы). Растворимость зависит как от состава самого вещества, так и от температуры, от давления.

Показатель растворимости вещества называется произведением растворимости (ПР), которое отражает предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.

4. Кристаллизация - процесс, при котором образуются кристаллы из паров, расплавов, растворов при химических реакциях и электролизе. В процессе кристаллизации выделяется тепло.

Растворение и кристаллизация – основные процессы для получения искусственных каменных строительных материалов на основе цемента, извести, гипса.

5. Коррозийная (химическая) стойкость - способность стройматериала противостоять разрушению под воздействием агрессивных сред. Химическая стойкость оценивается по значению коэффициента, рассчитываемому как отношение прочности (массы) материала после коррозийного воздействия к прочности (массе) до проведения испытаний. Если значение коэффициента составляет 0,9-0,95, то вещество признается химически стойким к исследуемой среде.

Органические строительные материалы (битумы, древесина, пластмассы) при обычной температуре достаточно стойки к воздействию щелочей и кислот средней и слабой концентрации.

Стойкость неорганических строительных материалов к коррозии зависит от их состава.