8

Лекція №3

Тема. Основні властивості будівельних матеріалів.

Мета. Вивчення загальних відомостей про фізико-механічні, фізико- хімічні і хімічні властивості будівельних матеріалів.

План заняття.

1.Фізико-механічні властивості будівельних матеріалів.

2. Фізико-хімічні властивості будівельних матеріалів.

3. Хімічні властивості будівельних матеріалів.

1. Фізико-механічні властивості будівельних матеріалів.

Механічні властивості вказують на здатність матеріалу чинити опір руйнуванню або деформаціям (зміна форми і розмірів) під дією зовнішніх навантажень.

Такими властивостями є твердість, міцність, пружність, розтяжність, пластичність, крихкість. Будівельні матеріали в спорудах зазнають дії різних зовнішніх сил та інших факторів, які можуть призвести до появи тріщин, зміни початкової форми без зміни структури, зниження міцності та інших явищ, пов'язаних із фізико-механічними властивостями.

Міцність - це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню від внутрішніх напружень, що виникають під дією різних зовнішніх навантажень. У процесі експлуатації будівель і споруд будівельні матеріали найчастіше зазнають напружень стиску, згину, розтягу, зрізу та удару.

Будівельні матеріали неоднаково сприймають різні навантаження. Це залежить від хімічного та мінералогічного складів матеріалу, структури й будови. Так, природні кам'яні матеріали, цегла та бетон добре працюють на стиск, але погано на розтяг і згин. На розтяг вони витримують навантаження в 10 разів менші, ніж на стиск. Тому такі матеріали застосовують переважно в конструкціях, які працюють здебільшого на стиск (колони, стіни). Матеріали і з волокнистими наповнювачами мають підвищену міцність на згин, показник якої порівняно з міцністю на стиск нижчий усього лише в 1,5…3 рази (наприклад, азбестоцементні покрівельні вироби). Ряд будівельних матеріалів, наприклад, деревина, сталь, деякі полімерні матеріали (склопластики) мають високі показники міцності на стиск і згин, а тому їх застосовують в таких несучих конструкціях, як балки, ферми, труби.

Міцність будівельних матеріалів характеризується границею міцності при стиску, згині тощо. Вона чисельно дорівнює напруженню в матеріалі, яке відповідає навантаженню, що призвело до руйнування зразка і вимірюється в мегапаскалях (МПа).

Границю міцності при стиску R_ст визначають зазвичай на зразках у формі кубів, циліндрів, призм, а також на натурних зразках (керамічне порожнисте каміння). Під час випробування зразків матеріалу у формі кубів на показник міцності в багатьох випадках впливає їхній розмір (міцність малих кубиків вища від великих).

Зразки будівельних матеріалів випробовують, як правило, на спеціальних пресах до руйнування, а границю міцності при стиску, МПа, обчислюють за формулою

де

R_ст - руйнівне навантаження (сила), МПа;

Р - площа поперечного перерізу зразка до випробування, м².

Крім традиційних руйнівних методів, для визначення міцності будівельний матеріалів можна застосовувати також і неруйнівні методи, наприклад, ультразвуковий.

Числове значення границі міцності при стиску для багатьох матеріалів є підставою для встановлення їхньої марки або класу найважливіших показників якості матеріалу.

Міцність матеріалу одного виду, наприклад, цегли, залежить від його середньої густини і буде тим більшою, чим вищий цей показник. На міцність матеріалу впливає також ступінь насиченості його водою. Внаслідок зволоження міцність багатьох будівельних матеріалів знижується.

Водостійкість - це здатність матеріалу зберігати фізико-механічні властивості у насиченому водою стані, характеризується коефіцієнтом розм'якшення К_р (або водостійкості). Цей показник визначається відношенням міцності насиченого водою матеріалу R_н до його міцності в сухому стані R_с:

Водостійкими вважаються будівельні матеріали з коефіцієнтом розм'якшення понад 0,8. Це означає, що кам'яні природні та штучні матеріали з К_р <0,8 м можна застосовувати в місцях із підвищеною вологістю.

Деякі матеріали при зволоженні втрачають міцність і деформуються (цегла - сирець має К_р =0); такі, наприклад, як скло, сталь не змінюють міцності (К_р =1), а цементний бетон може навіть підвищувати її.

Границю міцності при згині R_зг визначають на зразках-балочках квадратного чи прямокутного перерізу, розміри яких встановлені відповідними стандартами, а також на натурних зразках (цегла, черепиця, азбестоцементні листи).

Випробування на згин виконують за схемою балки, встановленої на двох опорах при зосередженому навантаженні, прикладеному симетрично відносно осі балки, до її руйнування. Границя міцності при згині, МПа, якщо навантажені зосереджене й прикладене в центрі,

Якщо два навантаження прикладені симетрично відносно осі балки, то

де Р- відстань між опорами, МН;

l - ширина висота поперечного перерізу зразка, м;

а - відстань між точками прикладання двох навантажень, м.

Якщо випробовується балка на двох опорах, то у верхній частині вона зазнає стиску, а в нижній - розтягу. Оскільки границя міцності на розтяг, як пра­ло, менша за границю міцності на стиск, то саме в нижній зоні з'являються тріщини й починається руйнування матеріалу при згині.

Границю міцності при розтягу R_р визначають за допомогою спеціальних приладів та машин, застосовуючи виготовлені з випробовуваного матеріалу зразки встановленої форми й розмірів (призм, круглих стрижнів, стрижнів прямокутного перерізу, вісімок, смуг), залежно від виду будівельного матеріалу. Зразки закріплюють у захватах приладів і піддають розтягу до моменту розриву.

Для кам'яних матеріалів, металів, деревини та інших матеріалів границя міцності при розтягу, МПа,

Р - руйнівне навантаження, МН;

Твердість - це здатність матеріалу чинити опір місцевим деформаціям, які виникають тоді, коли в нього проникають інші, твердіші тіла. Твердість матеріалу має завжди відповідає їхній міцності, тобто при різній міцності твердість їх може бути однаковою.

Ступінь твердості мінералів гірських порід визначають за шкалою порівняльної твердості Мооса, яка складається з десяти мінералів-еталонів:

тальк - 1; гіпс - 2; кальцит - 3; плавиковий шпаг - 4; апатит - 5; ортоклаз - 6; кварц -7; топаз - 8; корунд - 9; алмаз - 10.

Ударна міцність - це здатність матеріалу протидіяти руйнуванню при короткочасному навантаженні ударного характеру. Природні й штучні кам'яні матеріали, які застосовують для влаштування доріг, підлог, фундаментів піл молоти, зазнають в процесі експлуатації ударних впливів.

Ударна міцність характеризується роботою, затраченою на руйнування зразка матеріалу й віднесеною до одиниці об’єму матеріалу.

Опір зношуванню - визначають переважно для дорожніх матеріалів, а також для матеріалів підлог, які в процесі експлуатації зазнають одночасної дії стирання та ударів.

Деформативні властивості. Під дією зовнішніх сил у будівельних конструкціях виникають деформації різного походження. Деформативні властивості матеріалів визначаються пружністю, пластичністю, крихкістю.

Пружність - це здатність твердого тіла деформуватися під дією зовнішніх сил і самочинно відновлювати початкову форму та об'єм після припинення дії навантаження.

Границя пружності - це те найбільше напруження, при якому залишкові де­формації мають найменше (допустиме за нормами) значення, тобто матеріал практично зазнає оборотних пружних деформацій.

Пластичність - це властивість матеріалу змінювати без руйнування форму та розміри під впливом навантаження або внутрішніх напружень, стійко зберіга­ючи утворену форму і розміри після припинення цього впливу.

Крихкість - це властивість твердих матеріалів руйнуватися під впливом ме­ханічних напружень, які в них виникають, без помітної пластичної деформації. Крихкість і пластичність будівельних матеріалів можуть змінюватися не ли­ше під дією температури, а також зі зміною вологості та швидкості нарощування навантаження, що діє на них. Наприклад, глина в сухому стані крихка, а у зво­ложеному (глиняне тісто) - пластична.

Повзучість - це властивість матеріалів повільно та безперервно пластично деформуватися під впливом постійного навантаження. Для деяких матеріалів (бе­тону, гіпсових, азбестоцементних виробів) ця здатність спостерігається при звичайних температурах, для металів - при підвищених.