Механічні властивості матеріалів

Будівельні матеріали і конструкції у процесі експлуатації піддаються різним зовнішнім силам – навантаженням, що викликають у них деформації і внутрішні напруження. Навантаження можуть бути: статичними (діють постійно), динамічними (прикладаються раптово і викликають сили інерції). Під діями зовнішніх сил будівельні конструкції деформуються і змінюють форму та розміри, при цьому реагують після зняття навантаження по-різному, виявляючи властивості пружності й пластичності.

Пружність – властивість матеріалу мимовільно відновлювати первісну форму і розміри після припинення дії зовнішніх сил.

Пластичність – властивості матеріалу змінювати форму чи розміри під дією зовнішніх сил, не руйнуючи, причому після припинення дії сили матеріал не може мимовільно відновити розміри і форму.

Крихкість – здатність матеріалу руйнуватися без утворення помітних залишкових деформацій.

Основними характеристиками деформаційних властивостей будівельного матеріалу є: модуль пружності, коефіцієнт Пуассона, модуль зрушення, об'ємний модуль пружності, граничні деформації, повзучість.

Модуль пружності Е являє собою міру твердості матеріалу і зв'язує пружну деформацію і одноосьове напруження відповідно до закону Гука:

ε = σ ⁄ Е,

де σ – відносна деформація матеріалу, рівна відношенню абсолютної деформації Е до первісного лінійного розміру L.

σ – напруження при одноосьовому розтяганні стиску, встановлюване за формулою

σ = Р/F,

де Р –діюча сила;

F - площа поперечного перерізу матеріалу;

Модуль пружності Е за допомогою коефіцієнта Пуассона зв'язаний з іншими характеристиками матеріалу. Так, об'ємний модуль пружності (всебічного стиску) зв'язаний з модулем пружності наступною залежністю:

К = Е/[3(1-2μ)],

де μ – коефіцієнт Пуассона (поперечного стиску), встановлюваний за формулою

μ = - ε _x / ε _y;

Одноосьове розтягання ε _z викличе подовження по цій осі +ε _z і відповідно стиск по бічних напрямках – ε _x ε _{y ,} які у випадку ізотропності матеріалу рівні.

Міцність – здатність матеріалу опиратися, не руйнуючи, внутрішнім напруженням, що виникають під дією зовнішнього навантаження.

Міцність є основною властивістю більшості будівельних матеріалів, одним з найважливіших показників якості конструкційних матеріалів. Від значення міцності залежить величина навантаження, що може сприймати даний матеріал при заданому перетині, працюючи в конструкції. Міцність матеріалу оцінюють межею міцності R, напругою відповідно навантаженню, яке викликало напругу. Значення межі міцності деяких матеріалів наведені в табл. 1.2.

Залежно від міцності будівельні матеріали розділяються на марки. Єдина шкала марок охоплює все будівництво. Найчастіше під маркою розуміють межу міцності при стиску, тому що саме цей вид напруження випробує більшість конструкційних матеріалів, які працюють у споруді.

Таблиця 1.2 – Межа міцності деяких будівельних матеріалів

Для оцінки ефективності матеріалу в будівництві використовується коефіцієнт конструктивної якості (питома міцність), що розраховується як показник міцності, віднесений до відносної щільності матеріалу:

R_у = R/d,

де d – відносна щільність матеріалу (див. 1.4.1), що є безрозмірною величиною.

Найбільш конструктивними й ефективними в будівництві вважаються матеріали, які мають високу міцність при малій власній щільності. Далі наведені значення R_у для деяких матеріалів:

склопластик – 450/2 = 225 МПа;

сталь – 390/7, 85 = 51 МПа,

важкий бетон – 40/2, 4 = 16, 6 МПа;

легкий бетон – 10/0, 8 = 12, 5 МПа;

цегла – 10/1, 8 = 5, 56 МПа.

Твердість – властивість матеріалу пручатися проникненню в нього іншого більш твердого матеріалу.

Твердість кам'яних матеріалів природного походження оцінюється за шкалою Маоса, складеною з 10 мінералів з умовним показником твердості від 1 до 10 (самий м'який тальк – 1, самий твердий алмаз – 10). Твердість металів, бетону, пластмас визначають вдавленням у випробуваний зразок сталевої кульки. У результаті випробу обчислюють число твердості

НВ = Р/F,

де F – площа поверхні відбитка.

Стиранність – властивість матеріалу пручатися стираннім впливам.

Стиранність оцінюють втратою первісної маси зразка матеріалу, віднесеної до площі поверхні стирання:

І = (m₁ - m₂)/F,

де m ₁ і m₂ - маса зразка до і після стирання;

Зазначена властивість є одним з основних показників якості матеріалів, застосовуваних для дорожнього будівництва, влаштування підлог, сходів.

Ударна в'язкість – властивість матеріалу пручатися ударним навантаженням. Даний вид навантаження на відміну від розглянутих вище має короткочасний, миттєвий характер. Характеристикою цієї властивості є робота, витрачена на руйнування стандартного зразка, віднесена до одиниці його об'єму: А_уд = m (1 + 2 + 3 + ….... + n)/V·10 ,

де m – маса вантажу копра, кг;

V – об'єм зразка, см³;

(1+2+3+…....n) – шлях, пройдений вантажем копра для руйнування зразка.

Знос – властивість матеріалу пручатися одночасному впливу зношуючих і ударних навантажень. Показником зносу служить утрата маси зразка матеріалу в % від початкової.