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.