книги / Строительные материалы

уменьшается.

Термическое сопротивление R, м2*°С/Вт слоя много­ слойной ограждающей конструкции, а также однослой­ ной (однородной) ограждающей конструкции определя­ ют по формуле:

ции; от нее зависят толщина наружных стен и расход топлива на отопление зданий.

Теплоемкость определяется количеством теплоты, ко­ торое необходимо сообщить 1 кг данного материала, что­ бы повысить его температуру на 1 °С. Теплоемкость не­ органических строительных материалов (бетонов, кир­ пича, природных каменных материалов) изменяется от 0,75 до 0,92 кДж/(кг-°С). Теплоемкость сухих органиче­ ских материалов (например, древесины) около 0,7 кДж/

материалов их теплоемкость возрастает. Показатели теп­ лоемкости разных материалов нужны для теплотехниче­ ских расчетов.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Ог­ неупорные материалы применяют для внутренней футе­

ровки промышленных лечей. Тугоплавкие материалы раз­ мягчаются при температуре выше 1350°С.

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

Несгораемые материалы — это бетон, кирпич, сталь и др. Однако необходимо учитывать, что некоторые ма­ териалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (металлы) при температуре, на­ чиная с 600 °С, поэтому конструкции из подобных мате­ риалов приходится защищать более огнестойкими мате­ риалами.

Трудносгораемые материалы (асфальтобетон, пропи­ танная антипиренами древесина, фибролит, некоторые пенопласты) под воздействием огня или высокой темпе­ ратуры тлеют, но после прекращения действия огня их горение и тление прекращаются.

Сгораемые органические материалы (они горят от­ крытым пламенем) необходимо защищать от возгорания. Широко используют конструктивные меры, исключаю­ щие непосредственное воздействие огня на материал в условиях пожара. Применяют защитные вещества — ан­ типирены.

Температурный коэффициент линейного расширения

Ы 0~3, т. е. 0,5—1 мм/м. Во избежание растрескивания

хранять свою структуру и физико-механические характе- ^ ристики после воздействия ионизирующих излучений.

Быстрое развитие атомной энергетики, освоение реак­ торов на быстрых нейтронах, широкое использование раз­ личных источников ионизирующих излучений во многих отраслях народного хозяйства побуждают все чаще об­ ращаться к оценке радиационной стойкости и защитных свойств материалов. Большие исследования в этой об-

ласти выполнили А. Н. Комаровский и В. Б. Дубров­ ский.

Уровни радиации вокруг современных источников ионизирующих излучений настолько велики, что может произойти глубокое изменение структуры материала (на­ пример, происходит аморфизация структуры кристалли­ ческих минералов, которая сопровождается объемными изменениями и возникновением внутренних напряжений).

Для сравнительной оценки защитных свойств различ­ ных бетонов можно использовать «толщину слоя поло­ винного ослабления» Tip, равную толщине слоя защит­ ного материала, необходимой для ослабления интенсив­ ности излучения в два раза. Толщина слоя половинного ослабления 7V2=0,693 X,

§3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

1.Деформативные свойства

Основными деформативными свойствами строитель­ ного материала являются: упругость, пластичность, хруп­ кость, модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяжения, сжатия), ползучесть. Другие характеристи­ ки могут определяться для специальных условий нагру­ жения.

Упругостью твердого тела называют его свойство де­ формироваться под влиянием нагрузки и самопроизволь­ но восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая де­ формация полностью исчезает после прекращения дейст­ вия внешней силы, поэтому ее принято называть обра­ тимой.

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

Модуль упругости представляет собой меру жестко­ сти материала. Материалы с высокой энергией межатом­ ных связей (они плавятся при высокой температуре) ха­ рактеризуются и большим модулем упругости (табл. 1.4).

Механические свойства материала характеризуются диаграммой деформации, построенной на основании ре­

определяется тангенсом угла наклона производной —

йг

к оси деформаций. На рис. 1.10 представлены кривые а — е для строительных материалов: упругих, пластичных, хрупких и эластомеров. Стекло деформируется как упру­ гий хрупкий материал (рис. 1.10, а).

Поликристаллические изотропные материалы (метал­ лы, кристаллические полимеры и др.) сохраняют упру­ гость при значительных напряжениях; для многих из них характерно пластическое разрушение, отмеченное пло­ щадкой текучести А — В на диаграмме о — е (рис. 1.10,6). При хрупком же разрушении пластические де­ формации невелики (рис. 1.10,в).

Нелинейное соотношение между напряжением и де­ формацией у некоторых материалов проявляется при от­ носительно невысоких напряжениях. Так, у материалов с конгломератным строением (различного вида бетонов) оно отчетливо наблюдается уже при напряжениях, пре­ вышающих 0,2 предела прочности.

Упругая деформация эластомеров (каучуков) может превышать 100%. Первоначально для распрямления це­ пей молекул эластомера требуется низкое напряжение. По мере распрямления цепей молекул сопротивление дальнейшему деформированию возрастает, так как уве­ личение деформаций вызывает разрыв связей уже вы­ прямленных молекул (рис. 1.10, г). Таким образом, ди­ аграммы деформаций позволяют определить модуль уп­ ругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.

Модуль упругости материала Е связан с другими уп­ ругими его характеристиками посредством коэффициента Пуассона. Одноосное растяжение а2 вызовет удлиннение по этой оси + е2 и сжатие по боковым осям —е* и —е„, которые у изотропных материалов равны между собой.

Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечно­ го сжатия, |л равен отношению

Если бы объем материала при одноосном упругом нагружении оставался постоянным, то наибольшее теоре­ тическое значение |а= 0,5. Силы притяжения и отталки­ вания в материале различным образом зависят от изме­ нения межатомного расстояния, поэтому значения коэф­ фициента Пуассона реальных материалов сильно отли­ чаются от теоретических значений этого коэффициента, например бетона 0,17—0,2; полиэтилена 0,4.

Объемный модуль упругости, или модуль всесторон­ него сжатия (растяжения), К связан с модулем Юнга следующим соотношением:

Модуль сдвига связан с модулем Юнга посредством коэффициента Пуассона

Поскольку |х=0,2—0,3, G составляет 35—42 % Е. Ис­ пользуя приведенную выше формулу для К, получим

Экспериментально определив модуль Юнга и коэффи­ циент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объ­ емный модуль упругости, пользуясь приведенными фор­ мулами (вывод этих формул дается в курсе сопротивле­ ния материалов).

2. Прочность

Прочность — свойство материала сопротивляться раз­ рушению под действием внутренних напряжений, вызван­ ных внешними силами или другими факторами (стеснен­ ной усадкой, неравномерным нагреванием и т. д.).

Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при дан­ ном виде деформации. Для хрупких материалов (при­ родных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной харак­ теристикой является предел прочности при сжатии. По­ скольку строительные материалы неоднородны, то пре­ дел прочности определяют как средний результат испы-

таниясерии образцов (обычно не менее трех). Форма и размеры образцов, со­ стояние их опорных поверхностей су­ щественно влияют на результаты испы­ таний.

Например, у кубиков малых разме­ ров предел прочности при сжатии ока­ зывается выше, чем у кубиков больших размеров из того же материала. При­ змы показывают меньшее сопротивле­ ние сжатию, чем кубы одинакового по­ перечного сечения. Это объясняется тем, что при сжатии образца возника­ ет его поперечное расширение. Силы трения, возникающие между опорными гранями образца и плитами пресса, удерживают частицы образца, приле­ гающие к плитам, от поперечного рас­ ширения и, следовательно, от разруше­ ния. Средние же части образца, испытывая поперечное расширение, расширяются в первую очередь. Поэто­ му при испытании кубов из хрупких материалов (бетона, раствора, камня др.) получается форма разрушения

в виде двух усеченных пирамидок, сложенных верши­ нами (рис. 1.11). 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, раз­ деленных вертикальными трещинами. Прочность куба со смазанными опорными поверхностями при сжатии состав­ ляет около 50 % прочности того же образца с несмазан­ ными опорными поверхностями.

На результаты испытания влияет скорость нагруже­ ния образца. Если нагрузка возрастает быстрее, чем ус­ тановлено стандартом, то результат испытания получа­ ется завышенным, так как не успевают развиваться пла­ стические деформации.

Приведенные примеры говорят о том, что показатели прочности строительного материала, используемые как характеристики его качества, являются условными ве­ личинами, получаемыми по стандартным методикам, единым для всей страны.

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. В нор­ мативных документах марка указывается в кгс/см2; на­ пример, марка портландцемента может быть: 400, 500 550 и 600. Чем выше марка, тем выше качество конструк­ ционного строительного материала. Единая шкала ма­ рок охватывает все строительные материалы.

Предел прочности при осевом сжатии Rcж, МПа, ра­ вен частному от деления разрушающей силы Рра3р на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы):

В табл. 1.5 систематизированы характерные образцы, применяемые для определения предела прочности стро­ ительных материалов при сжатии.

Предел прочности при осевом растяжении Rp (МПа) используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов (табл. 1.6). В зависимости от соотношения Rp и RCm материалы можно условно разделить на три4группы: к первой отно­

Предел прочности при изгибе /?р.и (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде призм (балочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения. Предел проч­ ности условно вычисляют по той же формуле сопротив­ ления материалов, что и напряжение при изгибе:

где М — изгибающий момент; W — момент сопротивления.

В табл. 1.6 приведены схемы испытания и соответст­ вующие им расчетные формулы. Эти формулы, строго говоря, справедливы в пределах упругой работы мате­ риала и при одинаковом его сопротивлении сжатию и растяжению. Поэтому по формулам вычисляют условное значение предела прочности при изгибе, являющееся стан­ дартной прочностной характеристикой кирпича, строи­ тельного гипса, цемента, дорожного бетона.

Динамической (или ударной) прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению при