Раздел 1, Строительное материаловедение 3 страница

Паро- и газопроницаемость в большой степени зависят от структуры материала (плотности и пористости) (табл. 1.2).

Влажностные деформации. Пористые неорганические и орга­нические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материа­ла при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внут­ренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы мате­риала.

Набухание (разбухание) происходит при насыщении материа­ла водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки ме­жду частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капил­лярные силы.

Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается поперемен­ными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, ускоряю­щие разрушение. В подобных условиях находится бетон в дорож­ных покрытиях, в наружных частях гидротехнических сооруже­ний.

Высокопористые материалы (древесина, ячеистые бетоны), способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой:

Вид материала Древесина (поперек волокон) Ячеистый бетон Строительный раствор Кирпич Тяжелый бетон Гранит

Усадка возникает и увеличивается, когда из материала удаля­ется вода, находящаяся в гидратных оболочках частиц и в мелких порах. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных измене­ний.

Морозостойкость - свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Моро­зостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попе­ременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; после испытания образцы не должны иметь видимых повреж­дений - трещин, выкрашивания (потери массы - не более 5 %). От морозостойкости зависит долговечность строительных материа­лов в конструкциях, подвергающихся действию атмосферных факторов и воды.

Марка по морозостойкости устанавливается проектом с уче­том вида конструкции, условий ее эксплуатации и климата. Кли­
матические условия характеризуются среднемесячной температу­рой наиболее холодного месяца и числом циклов попеременного замораживания и оттаивания по данным многолетних метеоро­логических наблюдений.

Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость 15, 25, 35. Однако бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку 50, 100, 200, а гидротехнический бетон - 500.

Рассмотрим при­чины разрушения по­ристого материала под влиянием совме­стного действия на него воды и мороза. Для примера возьмем материал, находя­щийся в ограждаю­щей конструкции бетон. Осенью наруж­ная часть стены про­мерзает. В это время происходит миграция - перемещение пара " от тепла к холоду", т.е. пар стремится наружу, поскольку его давление при отрица­тельной температуре ниже, чем при положительной. Например, давление пара при +20°С составляет 2, 33 кПа, а при -10°С оно равно только 0, 27 кПа. Стремясь выйти наружу, водяной пар по­падает в зону низких температур и конденсируется в порах возле наружной грани стены. Таким образом, поры наружной промер­зающей части стены обводняются (рис. 1.6), причем вода прибы­вает сюда как снаружи (дождь с ветром), так и изнутри (миграция водяного пара). При наступлении даже небольших морозов (от -5 до -8°С) вода в крупных порах замерзает и при переходе увеличи­вается в объеме на 9% (плотность льда 0, 918). Если коэффициент насыщения водой хотя бы части пор приблизится к 1, то в стенках пор возникнут большие растягивающие напряжения. Разрушение начинается в виде " шелушения" поверхности бетона, затем оно распространяется вглубь.

Воздействие на бетон попеременного замораживания и от­таивания подобно многократному воздействию повторной растя­гивающей нагрузки, вызывающей усталость материала.

Испытание морозостойкости материала в лаборатории про­водят на образцах установленной формы и размеров (бетонные кубы, кирпич и т.п.). Перед испытанием образцы насыщают во­дой. После этого водонасыщенные образцы замораживают в хо­лодильной камере при температуре от -15°С до -20°С, чтобы за­мерзла вода в тонких порах. Извлеченные из холодильной каме­ры образцы оттаивают в воде с температурой 15-20°С, что обес­печивает водонасыщенное состояние образцов.

Для оценки морозостой­кости все шире применяют физические методы контроля и прежде всего импульсный ультразвуковой метод. С его помощью можно проследить изменение прочности или модуля упругости бетона в процессе циклического замо­раживания (рис. 1.7) и опре­делить марку бетона по мо­розостойкости в циклах за­мораживания и оттаивания, число которых соответствует допус­тимому снижению прочности (ZI/J) или модуля упругости (ЛЕ).

Тепло физические свойства

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Это свойство является главным как для большой группы теплоизоляционных материа­лов, так и для материалов, применяемых для устройства наруж­ных стен и покрытий зданий.

Циклы замораживания и оттаивания Рис.1.7. Кривая изменения проч­ности бетона при попеременном замораживании и оттаивании

Тепловой поток проходит через твердый " каркас" и воздуш­ные ячейки пористого материала. Теплопроводность воздуха А = 0, 023 Вт/(м°С) меньше, чем у твердого вещества, из которого со­стоит " каркас" строительного материала. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Стремятся создавать в материале мелкие за­крытые поры, чтобы снизить количество тепла, передаваемого конвенцией и излучением.

На практике удобно судить о теплопроводности по плотно­сти материала (рис. 1.8). Известна формула В.П. Некрасова, свя­зывающая теплопроводность Я [Вт/(м °С)] с относительной плот­ностью каменного материала d\

X = 1, 16у10, 0196 + 0, 22с1 ^[2] - 0, 16.

Плотность, кг/м3

Рис.1.8. Зависимость теплопроводности неорганических материалов от плотности:

1 - сухие материалы; 2 и 3- воздушно-сухие материалы с разной влажностью; 4 - материалы, насыщенные зодой

Точное значение X определяют для данного материала экспе­риментально.

Влага, попадающая в поры материала, увеличивает его теп­лопроводность, так как теплопроводность воды [0, 58 Вт/(м °С)] в 25 раз больше, чем теплопроводность воздуха. Замерзание воды в порах с образованием льда еще больше увеличивает так как теплопроводность инея равна 0, 1, а льда - 2, 3 Вт/(м°С), т.е. в 4 раза больше, чем воды. При повышении температуры теплопро­водность большинства материалов возрастает и лишь у немногих (металлов, магнезитовых огнеупоров) она уменьшается. Показа­тели теплопроводности для некоторых материалов приведены в табл.1.1.

Теплоемкость - это способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять тепло при остывании; опреде­ляется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на ГС. Те­плоемкость стали - 0, 48 кДж/(кг °С), неорганических строитель­ных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных мате­риалов) изменяется в пределах от 0, 75 до 0, 92 кДж/(кг-°С). Тепло­емкость сухих органических материалов (например, древесины) - около 2, 39-2, 72 кДж/(кг-°С), вода имеет наибольшую теплоем­
кость - 4, 19 кДж/(кг-°С), поэтому с повышением влажности мате­риалов их теплоемкость возрастает.

Показатели теплоемкости разных материалов нужны для теп­лотехнических расчетов,

Огнеупорность - свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размяг­чаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.

Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.

Огнестойкость - свойство материала сопротивляться дейст­вию огня при пожаре в течение определенного времени. Она за­висит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспла­меняться и гореть.

Несгораемые материалы - это бетон и другие материалы на минеральных вяжущих, кирпич керамический, сталь и др.

Однако необходимо учитывать, что некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно де­формируются (металлы) при температуре, начиная с 600°С. По­этому конструкции из подобных материалов нередко приходится защищать более огнестойкими материалами.

Трудносгораемые материалы под воздействием огня или вы­сокой температуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращается (асфальтобетон, пропитанная ан гипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты).

Сгораемые органические материалы, которые горят откры­тым пламенем, необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключающие непосредствен­ное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества -антипирены.

Коэффициент линейного температурного расширения бетона и стали 10-10-«" С-¹, гранита - 8-10-10 ⁶ °С ", дерева - 20-Ю ⁶ " О¹. При сезонном изменении температуры окружающей среды и материа­ла на 50°С относительная температурная деформация достигает 0, 5-10³ или МО³, т.е. 0, 5-1 мм/м, Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают деформацион­ными швами.

§ 5. Механические свойства

Нагрузки

Строительные материалы и конструкции подвергаются различ­ным внешним силам - нагрузкам, которые вызывают в них дефор­мации и внутренние напряжения. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции.

На статические нагрузки рассчитываются здания и сооружения промышленного и гражданского строительства. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкции и т.д. Ряд соору­жений предназначен для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорож­ные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха, форти­фикационные и специальные объекты.

Нагрузки, преимущественно динамического характера, образу­ются от природных катастроф (землетрясения, ураганы, наводнения, селевые потоки, оползни и др.), а также от аварий на предприятиях (взрывы, удары).

Статические нагрузки действуют независимо от времени, дина­мические же главным образом зависят от длительности действия: от долей до нескольких секунд, вызывая колебания и смещения соору­жений. Ударная волна ядерных взрывов может длиться до 2-3 се­кунд, а интенсивность на ее фронте при этом достигает сотен МПа, вот почему она обладает столь разрушительными последствиями.

Деформации и напряжения

Упругостью твердого тела называют его свойство самопроиз­вольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полно­стью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.

Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму или размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопро­извольно восстанавливать свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической де­формацией.

Пластическую или остаточную деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой.

Хрупкостью твердого тела называют его способность разру­шаться без образования заметных остаточных деформаций.

Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости, коэффи­циент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (мо­дуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяже­ния, сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут оп­ределяться для специальных условий нагружения.

Рассмотрим связь строения и деформативных свойств мате­риала.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину Л1 в направлении действия си­лы (при сжатии - укорочение, при растяжении - удлинение).

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации Л1 к первоначальному линейному размеру / тела:

е = А 1/1. (1.18)

Деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации тела.

Напряжение - мера внутренних сил, возникающих в деформи­руемом теле под воздействием внешних сил.

Модуль упругости Е (модуль Юнга)* связывает упругую де­формацию и одноосное напряжение линейным соотношением, выражающим закон Гука":

е = а/Е. (1.19)

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяет­ся по формуле а = P/F, где Р - действующая сила; F - площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Модуль упругости представляет собой меру жесткости мате­риала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они

плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости (табл. 1.3).

Механические свойства материала характеризуются диаграм­мой деформаций, построенной на основании результатов испыта­ния в координатах " напряжение-относительная деформация" (а-

е).

Модуль упругости определяет тангенс угла наклона произ­водной do/de к оси деформаций. На рис. 1.9 представлены кривые а - £ для строительных материалов упругих, пластичных, хрупких и эластомеров.

Стекло деформируется как упругий хрупкий материал (рис. 1.9, а). Поликристаллические изотропные материалы (метал­лы, кристаллические полимеры и др.) сохраняют упругость при значительных напряжениях; для многих из них характерно пла­стическое разрушение, отмеченное площадкой текучести А-В на диаграмме а - £ (рис. 1.9, б). При хрупком же разрушении пласти­ческие деформации невелики (рис. 1.9, в).

деформация Рис. 1.9. Схема диаграмм деформации: а) стекла; 6) стали; в) бетона; г) эластомера

Нелинейное соотношение между напряжением и деформацией у некоторых материалов проявляется при относительно невысоких напряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением (бе­тонов различного вида) оно отчетливо наблюдается уже при напря­жениях, больших 0, 2 предела прочности.

Упругая деформация эластомеров (каучуков) может превышать 100%. Первоначально для распрямления цепей молекул эластомера требуется низкое напряжение. По мере распрямления цепей молекул сопротивление дальнейшему деформированию возрастает, так как увеличение деформаций вызывает разрыв связей уже выпрямлен­ных молекул (рис. 1.9, г).

Таким образом, диаграммы деформаций позволяют определить модуль упругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.

Модуль упругости Е связан с другими характеристиками мате­риала посредством коэффициента Пуассона*. Одноосное растяжение, вызовет удлинение по этой оси +е, и сжатие по боковым на­правлениям -£ _х и ~£ _у, которые у изотропного материала равны между собой.

Коэффициент Пуассона или коэффициент поперечного сжатия равен отношению:

/Л = -£ _х / Еу.

Если бы объем материала при одноосном упругом нагружении оставался постоянным, то наибольшее теоретическое значение

^ ~. Силы притяжения и отталкивания в материале различным образом зависят от изменения межатомного расстояния, поэтому значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно от­личаются от теоретического и различаются между собой: у бетона - 0, 17-0, 2, полиэтилена - 0, 4.

Объемный модуль упругости или модуль всестороннего сжатия (растяжения) К связан с модулем упругости следующим соотноше­нием:

К - /[з(1 — 2//)].

Модуль сдвига связан с модулем упругости посредством коэф­фициента Пуассона

G = Е /[2(1 + //)}

С. Пуассон (1781-1840), французский ученый в области теоретической и небесной механики, математики и математической физики.

Поскольку ju = 0, 2-0, 3, G составляет 35-42% or E. Используя приведенную выше формулу для К, получим:

G = 3 К (1 - 2 /и)/[2 (1+/л)]. (1.22)

Экспериментально определив модуль упругости и коэффици­ент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объемный мо­дуль упругости, пользуясь приведенными формулами (вывод этих формул дается в курсе сопротивления материалов).

Прочность

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

Прочность материала оценивают пределом прочно­сти (временным сопротивле­нием) R, определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природных каменных мате­риалов, бетонов, строитель­ных растворов, кирпича и др.) основной прочностной Рис. 1.10. Схема разрушения характеристикой является хрупких материалов: предел прочности при сжа-

о) сжатие куба; б) то же со сма- тип. Поскольку строитель-

заппыми опорными гранями ные материалы неоднород­ны, то предел прочности определяют как средний результат ис­пытания серии образцов (обычно не менее трех образцов). Форма и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей сущест­венно влияют на результаты испытания.

Например, у кубиков малых размеров предел прочности при сжатии оказывается выше, чем у кубиков больших размеров из того же материала. Призмы показывают меньшее сопротивление сжатию, чем кубы одинакового поперечного сечения. Это объяс­няется тем, что при сжатии образца возникает его поперечное расширение. Силы трения, возникающие между опорными гра­нями образца и плитами пресса, удерживают части образца, при­легающие к плитам, от поперечного расширения и, следователь­но, от разрушения. Средние же части образца, испытывая попе­речное расширение, разрушаются в первую очередь. Поэтому при
испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, камня и др.) получается характерная форма разрушения: образуются две усе­ченные пирамидки, сложенные вершинами (рис. 1.10). Если же хо­рошо смазать опорные грани куба (например, парафином) и тем са­мым уменьшить силы трения, то под нагрузкой куб вследствие сво­бодного поперечного расширения распадается на ряд слоев, разде­ленных вертикальными трещинами. При смазке прочность куба при сжатии составляет лишь 50% прочности того же образца с несма­занными поверхностями.

На результаты испытания влияет скорость нагружения образца. Если нагрузка возрастает быстрее, чем установлено стандартом, то результат получается завышенным, так как не успевают развиться пластические деформации.

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

(1.23)

Приведенные примеры говорят о том, что показатели прочности строительного материала, используемые в качестве характеристик его качества, являются условными величинами, получаемыми по стандартным методикам, единым для всей страны.

В строительных материалах, работающих в сооружениях, следует допускать напряжения, составляющие только часть предела прочно­сти. Следовательно, допускаемое напряжение;

(1.24)

где z - запас прочности обычно 2-3 и выше. В зависимости от прочности строительные материалы разделя­ются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. В нормативных документах марка указы­вается в кг/см²; например, марки портландцемента М400, М500, М550 и М600. Чем выше марка, тем выше качество конструкцион­ного строительного материала. Единая шкала марок охватывает все строительные материалы.

Предел прочности при осевом сжатии R_CM (МПа) равен част­ному от давления разрушающей силы P_PAjP на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы);

Кж-РрАЭр/F- ' (1-25)

В табл. 1.4 систематизированы характерные образцы, приме­няемые для определения предела прочности строительных мате­риалов при сжатии.

Предел прочности при осевом растяжении R_P (МПа) использу­ется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, во­локнистых и других материалов (табл. 1.4). В зависимости от со­отношения R_P / R_{C> K} можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых R,, > R_C/I( (волокнистые - древесина и др.); R_P ~ R_Cx< (сталь); R_r < Я_сж(хрупкие материалы - природ­ные камни, бетон, кирпич.

Предел прочности при изгибе R_{l> H} (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде балочек на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до раз­рушения. Предел прочности условно вычисляют по той же фор­муле сопротивления материалов, что и напряжение при изгибе:

Rph = M/W, (1.26)

где М - изгибающий момент; IV- момент сопротивления.

В табл. 1.5 приведены схемы испытания и соответствующие им расчетные формулы. Эти формулы, строго говоря, справедли­вы в пределах упругой работы материала и при одинаковом его сопротивлении сжатию и растяжению. Эти условия не выполня­ются в стадии разрушения материала. При испытании на изгиб кирпича, бетонных балочек разрушение начинается в нижней растянутой зоне, так как эти материалы имеют значительно 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, дорожного бетона.

Ударной вязкостью (динамической или ударной прочностью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/м³) или площади поперечного сечения об­разца (Дж/м²). Сопротивление удару важно для материалов, ис пользуемых при устройстве фундаментов машин, полов промыш­ленных зданий, дорожных покрытий и т.п.

Таблица 1.5

Схемы стандартных методов определения прочности при изгибе и растяжении

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) материала равна отношению показателя прочности R (МПа) к относи­тельной плотности (безразмерная величина):

R_y = Rfd (1.27)

Следовательно, это прочность, отнесенная к единице плотно­сти. Лучшие конструктивные материалы имеют высокую проч­ность при малой собственной плотности.

Для некоторых материалов значения R_y приведены ниже: для стеклопластика - 450/2 = 225 МПа, древесины (без пороков) - 100/0, 5 = 200 МПа, стали высокопрочной - 1000/7, 85 = 127 МПа, стали- 390/7, 85 = 51 МПа.

Для каменных материалов значения R_} составляют: для легко­го конструкционного бетона - 40/1, 8 = 22, 2 МПа, тяжелого бетона - 40/2, 4 = 16, 6 МПа, легкого бетона - 10/0, 8 = 12, 5 МПа, кирпича - 10/1, 8 =5, 56 МПа.

Повышения R_y можно добиться снижением плотности мате­риала или увеличением его прочности.

Теоретическая прочность однородного материала характеризу­ется напряжением, необходимым для разделения двух примы­кающих друг к другу слоев атомов. Теоретическую прочность Rjeop получают из условия, что в момент разрушения вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит в поверхностную энергию двух вновь образо­вавшихся при разрушении поверхностей: