Прочность материала является одной из основных харак- теристик для большинства строительных материалов, так как они в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздей- ствиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, растяже- ние, изгиб, срез, удар и др.). По заданной нагрузке можно рас- считывать технически и экономически целесообразное сечение конструкций из данного материала.
Прочность – способность материала сопротивляться раз- рушению под действием внутренних напряжений, возникающих в нем под действием внешних нагрузок.
В зависимости от вида внешних воздействий различают:
– прочность при сжатии;
– прочность при растяжении;
– прочность при изгибе и т.д.
От внешней нагрузки Р в материале возникают внутренние напряжения s, т.е. нагрузке противодействуют внутренние си- лы, знак которых противоположен:
Р = Ss.
Рис. 5.10. Схема возникновения внутренних напряжений
По мере возрастания нагрузки (Р) до разрушающей (Рраз) внутренние напряжения (s) нарастают, а при разрушении стано- вятся равными 0, поскольку связь между частицами материала разрывается.
Прочность количественно оценивается пределом прочно-
сти.
Предел прочности (R) – критическое напряжение, при ко-
тором наступает разрушение материала (нарушение сплошно- сти).
Определение предела прочности производится при испыта- нии до разрушения:
– стандартных образцов (специально изготовленных или выпиленных из конструкции) на специальных прессах или раз- рывных машинах;
– непосредственно конструкций на специальных испыта- тельных стендах.
Теоретически прочность однородного материала характе- ризуется напряжением, необходимым для разделения двух при- мыкающих слоев атомов, т.е. зависит от сил атомно-молеку- лярного взаимодействия.
Прочность реальных тел в тысячи раз меньше прочности, рассчитанной для идеальных кристаллов. Причины – дефекты в структуре материала: микродефекты – дефекты кристаллической решетки, микротрещины; макродефекты – поры и трещины.
Прочность материалов
Таблица 5.4
Материал
Теоретическая прочность
Фактическая прочность
Сталь
30000 МПа
~ 400 МПа
Стекло
14000 МПа
70–150 МПа
Для материалов конгломератного строения прочность зави- сит не только от прочности составляющих, но и от силы сцеп- ления между ними.
Предел прочности материалов, определяемый при испыта- нии образцов, является условной характеристикой, так как зави- сит от:
– формы и размеров образцов;
– условий испытания (скорость нагружения, конструкция испытательной машины);
– состояния опорных поверхностей.
Поскольку строительные материалы неоднородны по строе- нию, то предел прочности определяют как средний результат испытаний серии стандартных образцов. Форма и размеры об- разцов должны соответствовать требованиям ГОСТ или ТУ (на- пример, для бетона – куб с ребром 15 см, для раствора – куб с ребром 7,07 см для испытаний на сжатие). Размер образцов за- висит от степени однородности строения материала.
Предел прочности при сжатии Rсж(МПа) равен частному от деления разрушающей силы Рраз на площадь поперечного се- чения образца S (куба, цилиндра, призмы):
Rсж= Рраз/S, кгс/см2, МПа (Н/м2= Па).
Если Рразизмерена в кгс, а S в см2, то 1 кгс/см2 = 0,1 МПа.
Силы трения (t), возникающие между опорными гранями образца и плитами пресса, удерживают части образца, приле- гающие к плитам, от разрушения. Средние же части образца разрушаются в первую очередь (рис. 5.11). Поэтому для хруп- ких материалов наблюдается характерная форма разрушения кубов: две усеченные пирамиды, сложенные вершинами.
Действием сил трения объясняется разница в пределе проч- ности материала, определенная на образцах разного размера: у кубиков малых размеров предел прочности при сжатии оказы- вается выше, чем у кубиков больших размеров из того же мате- риала.
Если же смазать опорные грани куба или покрыть их пара- фином, то силы трения уменьшаются, стремятся к нулю (t ® 0)
и изменяется характер разрушения образца (см. рис. 5.11). Куб распадается на ряд слоев, разделенных вертикальными трещи- нами. Предел прочности куба со смазанными опорными граня- ми составляет 50 % предела прочности того же образца с несма- занными поверхностями.
Рис. 5.11. Характер разрушения образцов при сжатии
Предел прочности при изгибе Rизг(МПа) определяют путем испытания образца материала в виде призмы, уложенной на двух опорах. Образец нагружают одной или двумя сосредото- ченными силами до разрушения. Вычисляют Rизгпо формуле:
Rизг= Mизг/W, (5.18)
где Мизг – наибольший изгибающий момент, Н·м;
W – момент сопротивления сечения образца, м3.
При приложении одной сосредоточенной изгибающей силы:
Rизг= 3Pl/(2bh2), (5.19)
при двух силах:
Rизг= Pl/(bh2), (5.20) где l – расстояние между опорами;
b и h – ширина и высота поперечного сечения образца.
Предел прочности при растяжении Rp(MПа) используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокни- стых материалов. Определение Rросуществляется на прессах с захватывающими устройствами, тянущими образцы в разные стороны.
У хрупких и пластичных материалов различно соотноше- ние между разными видами прочности:
– пластичные – Rp» Rизг> Rсж(металлы, древесина);
– хрупкие – Rсж> Rизг> Rp(бетон, кирпич, каменные мате- риалы). Rсжтаких материалов превышает Rрв 10–15 раз и более.
Таблица 5.5 Прочностные свойства и применение материалов
Наиме-
нование материа- ла
Предел прочности, МПа, при
Вид ма- териала
Приме-
нение
в конст- рукциях
сжатии
изгибе
растяже- нии
Гранит
137–180
15–25
4–5
хрупкие
рабо- тающих на сжа- тие
Кирпич
керами- ческий
7,5–30
1,8–4,4
не нор-
мируется
Бетон
10–60
2–5
1–3
Сосна
(вдоль волокон)
30–50
70–90
80–110
пластич- ные
рабо- тающих на изгиб, растяже- ние, сжа- тие
Дуб
(вдоль волокон)
40–70
90–120
100–130
Сталь
(Ст3)
350–450
350–450
350–450
Предел прочности материала (чаще при сжатии) определяет его марку.
Например, при марке бетона М200 предел прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из бе- тонной смеси и твердевших в течение 28 суток в нормальных условиях (t = 20 ± 2 °С, Wотн ³ 90 %), должен быть не менее
20 МПа (200 кгс/см2).
Для оценки прочностной эффективности материала исполь- зуется коэффициент конструктивного качества (ККК):
ККК = Rсж/rm, где Rсж– в МПа или кгс/см2,
rm– относительная плотность, безразмерная величина, чис- ленно равная rmв г/см3 или кг/м3.
Наиболее эффективными являются материалы, имеющие наи- меньшую плотность и наиболее высокую прочность (табл. 5.6).
ККК строительных материалов
Таблица 5.6
Материал
Прочность,
МПа
Средняя плотность, г/см3
ККК
Кирпич керамиче-
ский
1,8
5,6
Бетон тяжелый В50
2,4
Сталь Ст3
7,85
Оконное стекло
2,65
Древесина (сосна)
0,5
Стеклопластик
2,0
5.3.2. Специальные механические свойства Истираемость – способность материала сопротивляться
истирающим воздействиям.
Сопротивление истиранию определяют главным образом для материалов, предназначенных для полов, дорожных покры- тий, лестничных маршей и др.
Степень истирания материала выражают потерей массы об- разца, отнесенной к площади истирания (И).
Испытание проводят на специальном круге истирания с ус-
тановленным количеством оборотов вращения при заданном давлении на образец при использовании абразивов (кварцевый песок, корундовый наждак).
И = Dm/S, г/см2, г/м2, (5.21) где Dm – потеря массы, г;
S – площадь поверхности истирания, см2.
Образец вставляется в обойму, с помощью которой прижи- мается к поверхности истирающего круга, задается число обо- ротов круга. Определяется первоначальная масса образца – m1и масса после прохождения заданного пути – m2; Dm = m1–m2.
Чем меньше показатель истираемости, тем долговечнее ма-
териал в соответствующих условиях.
Истираемость материалов
Таблица 5.7
Материал
И, г/см2
Гранит
0,05–0,07
Плитки керамические для пола
0,08–0,1
Поливинилхлоридный линолеум
0,06
Ударная вязкость (ударная прочность) – способность со- противляться ударным нагрузкам.
Дорожные и аэродромные покрытия испытывают большие
динамические нагрузки, поэтому они должны подвергаться ис- пытаниям на удар.
Оценивается Rудпо работе А (Дж), затраченной на разру- шение материала, отнесенной к единице объема (V) или площа- ди (S) образца:
Rуд= A/V (Дж/м3) или Rуд= A/S (Дж/м2).
Испытанию подвергаются образцы-цилиндры d = h = 25 см. Испытания производятся на специальном приборе – копре.
Нормированный груз поднимается на определенную высоту и падает на образец до тех пор, пока не разрушит его.
Твердость – способность материала сопротивляться про- никновению в него другого, более твердого тела (поверхностная прочность).
Твердость для разных материалов оценивают по-разному.
Для природных каменных материалов – по относительной шкале – шкале твердости, или шкале Мооса. Шкала состоит из 10 эталонных минералов (табл. 5.8).
Таблица 5.8 Шкала относительной твердости (шкала Мооса)
Минерал-эталон
Балл твердости
Характеристика
Тальк
Легко царапается ногтем
Гипс
Царапается ногтем
Кальцит
Легко царапается стальным ножом
Флюорит
Царапается стальным ножом под неболь- шим нажимом
Апатит
Царапается ножом под сильным нажимом
Полевой шпат (ор- токлаз)
Царапает стекло под нажимом
Кварц
Царапает стекло
Топаз
Легко царапают стекло
Корунд
Алмаз
Минерал-эталон оставляет царапину на предшествующем минерале по шкале и царапается последующим.
Твердость древесины, металлов, бетона определяют, вдав- ливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды).
Число твердости материала (НВ) рассчитывают как отно- шение нагрузки при вдавливании в образец в течение опреде- ленного времени стандартного стального шарика (наконечника) к площади поверхности отпечатка (на поверхности материала от вдавливания):
НВ = Р/S.
Высокая прочность материала не всегда говорит о его твер- дости. Например, прочности при сжатии древесины и бетона близки, но твердость бетона существенно выше.
Для металлов и бетона существует связь между твердостью и прочностью, для каменных материалов – между твердостью и истираемостью.
Износ – способность материала сопротивляться одновре- менному воздействию истирающих и ударных нагрузок.
Образцы материалов испытывают во вращающемся бараба- не со стальными шарами или без них. Показателем износа слу- жит потеря массы пробы материала в результате проведенного испытания (в % от первоначальной массы).
5.3.3. Неразрушающие методы испытаний
Кроме разрушающих методов определения прочности с це- лью контроля качества материалов могут использоваться нераз- рушающие методы определения прочности.
Неразрушающие методы испытаний основаны на взаимо- связи прочности материала с какой-либо другой характеристи- кой материала, определяемой с помощью физических приборов или ударных инструментов.
Например, известно, что прочность материала зависит от его пористости, и скорость распространения в материале ульт- развуковых волн зависит от степени дефектности структуры, т.е. пористости.
Следовательно, может существовать взаимосвязь «проч- ность – скорость распространения ультразвуковых волн». Таким образом, скорость распространения ультразвука в материале может служить косвенной характеристикой прочности.
В качестве таких косвенных характеристик прочности ис- пользуются:
– скорость распространения в материале ультразвуковых
волн;
– динамический модуль упругости, рассчитываемый по частоте собственных колебаний материала (резонансный метод) или скорости распространения и затухания в материале ультра- звуковых волн (импульсный метод);
– диаметр отпечатка от удара специального молотка и др.
Для оценки прочности материала неразрушающим методом сначала строят тарировочную кривую по результатам испыта- ний образцов материала неразрушающим и разрушающим ме- тодами (определяют косвенную характеристику и предел проч- ности на одних и тех же образцах и в виде точки наносят на график). Затем по результатам неразрушающего метода испы- таний и тарировочной кривой оценивают прочность материала без его разрушения.