§ 1.3. Механические свойства • Механические свойства характеризуются способностью ма­териала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают проч­

ность материала при сжатии, изгибе, уда­ре, кручении и т. д., твердость, пластич­ность, упругость, истираемость.

Ф

Рис. 1.5 Схема гидравли­ческого пресса для испы­тания на сжатие:

/ — станина, 2 — винтовое приспособление для зажнма образца, 3 — верхняя опор­ная плита, 4 — испытуемый образец, 5 — нижняя опор­ная плнта с шаровой по­верхностью; 6 — поршень

Прочность — свойство материала со­противляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки.

Изучением этого свойства материалов за­нимается специальная наука — сопротив­ление материалов. Ниже излагаются об­щие понятия о прочности материалов, необходимые для изучения основных свойств строительных материалов.

Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки.

Наиболее характерными для строительных конструкций являются сжатие, растяже­ние, изгиб и удар. Каменные материалы (гранит, бетон) хорошо сопротивляются сжатию и намного хуже (в 5...50 раз) — растяжению, изгибу, удару, поэтому ка­менные материалы используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Такие материалы, как металл и древесина, хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их исполь­зуют в конструкциях, испытывающих эти нагрузки.

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности (Па) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала:

R = F/A,

где F — разрушающая сила, Н; А — площадь поперечного се­чения образца до испытания, м².

Предел прочности при сжатии различных материалов 0,5... 1000 МПа и более. Прочность на сжатие определяют испыта­нием образцов на механических или гидравлических прессах (рис. 1.5). Для этой цели применяют специально изготовлен­ные образцы, формы куба со стороной 2...30 см. Из более одно­родных материалов образцы делают меньших размеров, а из менее однородных — больших размеров. Иногда на сжатие испы­тывают образцы, имеющие форму цилиндров или призм. При испытании на растяжение металлов применяют образцы в виде круглых стержней или полос; при испытании на растяжение вяжущих веществ используют образцы в виде восьмерок.

Для определения предела прочности образцы изготовляют в соответствии с указаниями ГОСТов. Размеры и форму об­

разцов строго выдерживают, так как они существенно влияют на результат испытания. Так, призмы и цилиндры меньше сопротивля­ются сжатию, чем кубы того же поперечного сечения; наоборот, низкие призмы (высота меньше стороны) больше сопротивляются сжатию, чем кубы. Это объясня­ется тем, что при сжатии образца плиты пресса плотно прижимают­ся к опорным плоскостям его и возникающие силы трения удер­живают от расширения прилегаю­щие поверхности образца, а боко­вые центральные части образца испытывают поперечное расширение, которое удерживается толь­ко силами сцепления между частицами. Поэтому чем дальше нахо­дится сечение образца от плит пресса, тем легче происходит раз­рушение в этом сечении и образца в целом. По этой же причине при испытании хрупких материалов (камня, бетона, кирпича и т. п.) образуется характерная форма разрушения — образец превращается в две усеченные пирамиды, сложенные вершинами (рис. 1.6).

Н

Рис. 1.6. Образец куба после испы танин на сжатие на гидравличе­ском прессе

а прочность материала оказывают влияние не только форма и размер образца, но и характер его поверхности и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых ре­зультатов нужно придерживаться стандартных методов испыта­ния, установленных для данного материала. В табл. 1.4 приведе­ны характерные образцы, применяемые для определения предела прочности строительных материалов.

Таблица 1.4. Схема стандартных методов определения прочности при сжатии

Материал

Размер стан­дартного об­разца, см

Эскиз

Расчетная

формула

Образец

Бетон	15X15X15
Раствор	7,07Х7,07Х
	Х7,07
Природ*	5X5X5;
ный ка­	ЮХЮХЮ;
мень	15X15X15;
	20X20X20
Бетон	II -s; ю II
	= 30
Природ­	d = h * 5;
ный ка­	7; 10; 15
мень

Куб

Цилиндр

R = 4F/(nd⁷)

Расчетная

формула

Эскиз

Материал

Размер стан­дартного об­разца см

Образец

£71

Дп_Р = F/a²

Бетон

Древе­

сина

а = 10; 15; 20, h = 40; 60; 80 а — 2; h = 3

Призма

а — 12; b ■ = 12,3; Л ^: = 14

R = F/A

Кирпич

Состав* яой обра­ти

|>

Цемент

Полови­на образ­ца-приз­мы, изго­товленной из це­ментно- песчаного раствора Проба щебня (гравия) в цилинд­ре

Крупный заполни­тель для бетона

д_Р=

•100

mi — m2 mi

R=F/A

d = 15; Л = 15

а = 10; А * = 25 см²

Прочность зависит также от структуры материала, его плот­ности (пористости), влажности, направления приложения на­грузки. На изгиб испытывают образцы в виде балочек, рас­положенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами, увеличиваемыми до тех пор, пока балочки не разрушатся.

Предел прочности на изгиб (Па) определяют по формулам: при одном сосредоточенном грузе и балке прямоугольного сечения

£_и = 3Fl/(2bh²)-,

при двух равных грузах, расположенных симметрично оси балки,

Я_и = Щ1 - а)/(Ыг²),

где F — разрушающая нагрузка, Н; I — пролет между опора­ми, м; b и h — ширина и высота поперечного сечения балки, м; а — расстояние между грузами, м.

В табл. 1.5 приведены схемы испытания и расчетные фор­мулы.

Таблица 1.5. Схема стандартных методов определении прочности при изгибе н растяжении

Схема испытания

Образец

Материал

Расчетная

формула

Размер стандарт­ного образ­ца, см

Испытание на изгиб

Я_и = 3Fl/(2bh²)

Цемент

Кирпич

4X4X16 12Х6,5Х X 25

Призма, кирпич в натуре

F

Призма

Др.и - Fl/(bh²)

Бетон

Древе­

сина

15Х15Х

Х60

2X2X30

Испытание ка растяжение

Rp = 4F/(nd²) R_P = F/a²

Стер­жень, восьмер­ка, приз­ма

Бетон

Сталь

5Х 5x50;

юхюх

" Х80 do ⁼⁼ 1;

/о - 5; /> 10

Цнлнндр

Бетон

15X15

Лр._р*2 F/(ndl)

В материалах конструкций допускаются напряжения, состав­ляющие только часть предела прочности, таким образом создает­ся запас прочности. При установлении величины запаса проч­ности учитывают неоднородность материала — чем менее одно­роден материал, тем выше должен быть запас прочности.

При установлении коэффициента запаса прочности важными являются агрессивность эксплуатационной среды и характер

приложения нагрузки. Агрессивная среда и знакопеременные нагрузки, вызывающие усталость материала, требуют более высокого коэффициента запаса прочности. Запас прочности, обеспечивающий сохранность и долговечность конструкций зда­ний и сооружений, устанавливают нормами проектирования и определяют видом и качеством материала, условиями работы и классом здания по долговечности, а также специальными тех­нико-экономическими расчетами.

За последние годы в практику строительства внедряются новые методы контроля прочности, позволяющие испытывать без разрушения образцы или отдельные элементы конструкций. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении на заводах и строительных объектах, а также после установки их в зданиях и сооружениях.

Известны акустические методы, из которых наибольшее рас­пространение получили импульсный и резонансный. Указанным методам присуще общее основное положение, а именно: физи­ческие свойства материала или изделия оцениваются по косвен­ным показателям — скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частотой собст­венных колебаний материала и характеристикой их затухания.

• Твердость — способность материала сопротивляться проник­новению в него другого более твердого тела. Твердость не всег­да соответствует прочности материала. Для определения твердо­сти существует несколько методов.

Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух сосед­них минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металлов и пластмасс определяют вдавливанием стального шарика. От твердости материалов зави­сит их истираемость. Это свойство материала важно при обра­ботке, а также при использовании его для полов, дорожных по- крытий.