Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ТЕОРІЯ МІЦНОСТІ, ДЕФОРМАТИВНОСТІ І КОНГРУЕНЦІЇ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ

При виборі матеріалу і обгрунтуванні доцільності застосування в будівельній конструкції враховують його здатність чинити опір реальним навантаженням без порушення цілісності та розмірів. Одні матеріали успішно чинять опір стискає зусиллям, інші - що розтягують, які виникають під дією навантаження або інших силових факторів. Аналогічна опірність матеріалів характерна при впливі сил, здатних викликати вигин, зсув, розколювання і т. П. Матеріал повинен надійно опиратися цим впливає силам при роботі конструкції в експлуатаційний період.

Одночасно необхідно, щоб матеріал виявляв достатню стійкість до впливу фізичних (наприклад, температури і її коливань, особливо при переході через 0 ° С, водного середовища та ін.) І хімічних (кислоти, луги, сольові розчини і ін.) Чинників. Нерідко одним з головних показників якості служить здатність матеріалу до сприйняття технологічної обробки, наприклад, шліфування, розпилювання, розколювання на частини правильної форми і т. П. Отже, для обгрунтованого вибору матеріалу доводиться враховувати комплекс його так званих властивостей. Під властивостями будівельних матеріалів розуміють їх здатність певним чином реагувати на окремі або сукупні зовнішні, або внутрішні впливи - силові, теплові, усадочні, водної чи іншої середовища і т. Д.

Властивості поділяють на чотири групи: механічні, фізичні, хімічні, технологічні, іноді виділяють ще фізико-хімічні. У сукупності все властивості називають як технічні властивості будівельних матеріалів. Числові значення властивостей отримують при лабораторних або польових випробуваннях матеріалів за допомогою відповідних приладів і апаратів. Випробування проводять з руйнуванням спеціально підготовлених зразків або окремих елементів конструкції або без їх руйнування, т. Е. Адеструктівнимі методами.

МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Механічні властивості виражають здатність матеріалу чинити опір напруженням силовим (від механічних навантажень), тепловим, усадочних або іншим без порушення усталеної структури. Найчастіше напруга обумовлено внутрішньої Рис. 3.1. Схема розташування сил механічної силою, а його числова величина визначається при напружених

як відношення сили до одиниці площі. Під внутрішньої увазі силу дії частинок, що знаходяться по одну сторону майданчика, на частинки, що знаходяться по інший бік цієї площадки (рис. 3.1). Розрахунком визначають нормальні (перпендикулярні до майданчика) і дотичні напруження, що виражаються в розмірності "сила / площа" (МПа).

Механічні властивості поділяються на деформаційні і міцнісні.

Деформаційні властивості характеризують здатність матеріалу до зміни форми або розмірів без відхилень у величині його маси. Найголовніші види деформацій - розтягування, стиснення, зрушення, крутіння і вигин. Всі вони можуть бути оборотними і необоротними. Оборотні повністю зникають при припиненні дії на матеріал чинників, що їх викликали. Необоротні деформації, або залишкові, звані також пластичними, накопичуються в період дії цих факторів; після їх зняття деформації зберігаються. Оборотні деформації, що зникають миттєво і повністю, називаються пружними; зникає протягом деякого часу - еластичними.

Деформації можуть бути також складними - пружно-пластичними або пружно-в'язко-пластичними, якщо досить чітко виражені відповідно пружна і пластична або пружна, еластична і пластична частини (рис. 3.2).

На характер і величину деформації впливають не тільки величина механічного навантаження, але і швидкість програми цього навантаження, а також температура матеріалу. Як правило, з підвищенням швидкості навантаження, а отже, деформування, а також зі зниженням температури матеріалу деформації за своїм характером наближаються до пружним і пружно-пластичним, зменшуючись по своїй абсолютній величині.

Пластичні деформації, повільно наростаючі без збільшення напруги, характеризують плинність матеріалу. Пластична деформація, повільно наростаюча протягом тривалого часу під впливом силових факторів, які не здатні викликати залишкову деформацію за звичайні періоди спостережень, називається деформацією повзучості, а процес такого деформування - ползучестью, або Кріпі.

Мал. 3.2. Графіки залежності деформацій (є) від часу (т) дії навантажень: а - пружна деформація; б - упругоеластіческая деформація; в - пластична деформація; г - пружнопластичних деформація

Явище повзучості виражається в безперервному зміні розміру тіла (зразка) під впливом розтягуючих або стискають силових впливів (напруг нижче межі міцності) при постійній температурі (нижче температури плавлення). Її зазвичай висловлюють в одиницях швидкості деформації, т. Е. Як відносна зміна розмірів зразка (в мм) за час (в г): т = (АІІГ) ■ (1 / т), де Д / - лінійну зміну зразка, мм, за час т, ч; / - Початкова довжина, мм.

Деформаційні властивості будівельних матеріалів, як і інших тіл, обумовлюються періодом, або часом релаксації. Релаксацією називається процес мимовільного падіння внутрішньої напруги в матеріалі, пов'язаних з молекулярним переміщенням за умови, що початкова величина деформації залишається незмінною, наприклад, зафіксованої жорсткими зв'язками. Характер початкової деформації в період релаксації напружень може змінитися, наприклад, з пружною поступово перейти в незворотну (пластичну), що пов'язано з переорієнтацією всередині

молекулярної структури. Час, або період, -релаксаціі визначає тривалість релаксаційних процесів, в результаті яких початкова величина напружень при строго зафіксованої деформації знизилася в е раз - підстава неперово логарифмів, рівне 2,718 ...). Так, наприклад, якщо у матеріалу у вигляді зразка напруга була дорівнює 5,0 МПа. а виникла деформація під впливом цієї напруги була жорстко зафіксована, то час (0 с), за який напруга мимовільно знизилося до величини 5,0: 2,718 = 1,85 МПа, називається часом, або періодом, релаксації, що виражається в секундах або хвилинах. Ця величина - важлива характеристика будівельних матеріалів: чим вона менша, тим більше деформативні є матеріал. Нерідко час релаксації залежить від температури матеріалів в момент випробування і швидкості додатка навантаження, будучи непостійній величиною.

При дуже малою тривалістю (т с) дії сил (або короткочасному спостереженні) в порівнянні з величиною часу релаксації (т "0) всі матеріали (тіла) поводяться як упругохрупкіе тіла і мають повну оборотність деформацій, якщо, звичайно, напруги нс порушують їх сплошности. Однак найбільш типовим випадком деформації тендітних тел (матеріалів) є відсутність структурних змін, а пружна енергія, що витрачається на деформацію, не встигає розсіюватися під впливом релаксаційних процесів. У упругохрупкіх тел можливе накопичення малої пружної енергії, а за рахунок місцевих руйнувань структури відбувається часткова релаксація напружень. Наближеним значенням міри крихкості служить |> = ЄУ / Єпрсд і при V) / = 1-0,8 руйнування від навантаження відбувається без гальмування тріщин, раптово.

При дуже тривалих (т "0) спостереженнях за дією навантаження (в порівнянні з часом релаксації) матеріал подібно рідини тече. При дуже коротких спостереженнях (в порівнянні з часом релаксації) навіть рідкий матеріал проявляє крихкість твердого кристалічного тіла. Так, наприклад, при вельми короткому часі дії сили на воду, час релаксації якої дорівнює близько 10 11 з, вона веде себе як кристалічна тверда тіло; при досить тривалому періоді дії сил (або спостереження) природний камінь у вигляді гірських порід, час релаксації якого дорівнює 10 10 с, поводиться як текуча рідина. Але ці крайні умови не зустрічаються в практиці будівництва і експлуатації конструкцій будівель і споруд, тому вода завжди здається рідкої, а камінь - твердим. Однак багато матеріалів залишаються вельми чутливими до різниці між часом дії навантаження і часом релаксації, особливо при підвищених температурах, коли процес релаксації напружень в деяких матеріалах помітно інтенсифікується, особливо при місцевих (локальних) перенапряжениях в матеріалі.

Крім часу релаксації, в розрахунках користуються коефіцієнтом vp релаксації, що показує частку спаду напруг за певний період часу: у = с, / сто, де а, - напруга в момент часу т при постійній деформації; сто - початкова напруга.

Коефіцієнт релаксації дозволяє розрахунковим шляхом визначити релаксаційну характеристику за допомогою досвідчених значень деформації повзучості, точніше - швидкості повзучості, одержуваних менш трудомістким виміром, ніж релаксації напружень. З деяким наближенням до досвідченим даними можна скористатися залежністю: 1пц / = - <р, де <р - коефіцієнт повзучості, рівний St / ЄО = Ео / ь; £ т -деформація повзучості в момент часу т при постійній напрузі сто; ЄО - початкова пружна деформація, рівна сто / Ео; Ео - початковий модуль пружності, рівний сто / ЄО; е, - питома деформація повзучості в момент часу т, що дорівнює £, / сто.

Міцність характеризує здатність матеріалу в певних умовах і межах, не руйнуючись, пручатися внутрішнім напруженням і деформацій, що виникають під впливом механічних, теплових та інших напруг.

Типовими характеристиками міцності служать межа пружності, межа плинності і межа міцності при впливі стискають, що розтягують або інших видів зусиль. Межі пружності відповідає напруга матеріалу при максимальній величині пружної деформації; границі текучості - постійна напруга при наростанні пластичної деформації; межі міцності - максимальна напруга в момент руйнування матеріалу (рис. 3.3). Ці характеристики міцності відносяться до короткочасного дії прикладеного навантаження (табл. 3.1). При тривалій дії навантаження зростає небезпека порушення структури матеріалу. Навіть порівняно малі величини напруги (наприклад, від власної маси) можуть викликати повзучість і помітне погіршення структури з втратою міцності. Нерідко вимірюють тривалу міцність матеріалу не тільки при статичної (нерухомої), але і динамічної навантаженнях.

Діаграма - при розтягуванні

Мал. 3.3. Діаграма - при розтягуванні (а, - межа пружності, МПа; о, - межа текучості, МПа; р - межа міцності, МПа; Е - модуль пружності, або модуль Юнга, чисельно рівний cjs, МПа; е, - відносна пружна деформація)

Матеріал може різко втрачати свою міцність після додатки до нього вібраційного навантаження, що зумовлено втомою - накопиченням неотрелаксірованних напруг і необоротних мікродефектів в структурі. Відповідна міцність матеріалу називається втомної і визначається спеціальним випробуванням зразків.

Таблиця 3.1. Фізико-механічсскіс властивості деяких матеріалів

найменування матеріалу

межа

міцності при стисненні, МПа

справжня

густина,

кг / м *

Середня

густина,

кг / м 1

ТЕПЛОПРОМ

водність,

Вт / (м ° С)

граніт

150-250

2600-2800

2500-2700

2,9-3,3

вапняк щільний

50-150

2400-2600

1800-2200

0,8-1,0

Вапняк-черепашник

0,5-5

2300-2400

900-1400

0,3-0,6

цегла керамічна

10-20

2600-2700

1700-2000

0,8-0,9

цегла силікатна

10-20

2400-2550

1700-1900

-

бетон важкий

10-60

2500-2600

1800-2500

1,1-1.6

бетон легкий

2-15

-

500-1800

0,35-0,8

деревина соснова

30-60

1550-1600

500-600

0,15-0,2

Сталь ст.З (при растя- жін.)

380-450

7800-7900

7800-7900

58

пластмаси

120-200

1000-2200

100-1200

0,23-0,80

Портландцемент, кг / см 2 (марка)

300-600

3000-3200

Насипна

густина

1200-1300

-

В цілому згадані вище характеристики міцності за своєю сутністю належать до умовних з двох причин. По-перше, вони не враховують фактора часу, що з деяким наближенням можна допустити тільки щодо тендітних матеріалів. По-друге, прилади, розміри і форма зразків, швидкість програми навантаження на пресі та інші вихідні параметри методів випробування матеріалу на міцність прийняті умовними. Тому матеріал може мати різну величину показника міцності в залежності від розміру зразка, швидкості додатка навантаження і конструкції приладу, на якому випробовувалися зразки. Наприклад, чим менше розміри "кубика", більше швидкість програми навантаження (або швидкості деформації), тим вище отримується величина межі міцності при випробуванні на стиснення.

У пружною області деформацій діє закон Гука: о = Е е, де а - напруга, МПа; є - відносна пружна деформація; Е - модуль пружності матеріалу, МПа. Якщо відносна деформація е, що виражає відношення приросту деформації Д / до первісної довжині зразка /, т. Е. Д /// виявиться рівним одиниці (є = 1), то Е = о. Звідси випливає, що модуль пружності за своїм фізичним змістом чисельно дорівнює напрузі, яке потрібно було прикласти до матеріалу (зразком), щоб викликати відносну деформацію є = 1 (що можливо, коли приріст Д 1 = 1), т. Е. Коли було подвоєння довжини зразка за умови збереження пружних властивостей матеріалу. У реальних будівельних матеріалах (крім гуми) величина пружної деформації завжди набагато менше, становлячи у стали 1-1,5%, а у тендітних вона і зовсім наближається до нуля.

Чисельні значення величини модуля пружності і міцності визначають, як з руйнуванням зразків, наприклад, при випробуванні під пресом, так і неруйнівними (адеструктівнимі) методами. Поширені такі адеструктівние методи їх вимірювання: акустичні, магнітні та електромагнітні, механічні, радіометричні, рентгенівські і електричні. Вони засновані на прямих і зворотних закономірності між фізичними значеннями, отриманими при випробуванні неразрушающим приладом, і традиційними показниками властивостей. Залежно виражаються у вигляді формул, таблиць, тарувальних графіків. Вимірювання стають більш ефективними при комплексному використанні адеструктівних методів вимірювання з отриманням двох або декількох фізичних характеристик.

До комплексних методів відноситься спільне застосування механічного та ультразвукового методів або радіометричного і ультразвукового та інших для визначення межі міцності і модуля пружності, контролю якості та дефектоскопії, однорідності за різними показниками (міцності, вологості, товщині захисного шару та ін.). Ці методи досить ефективні при контролі за збереженням оптимальності структури матеріалів і виробів по однорідності, мінімуму дефектів, щільності, континуальности просторової сітки в'язкої речовини або рідинної оболонки свежеізготоелейного моноліту, мінімальної кількості в'язкої речовини або інших обов'язкових її параметрам. Зокрема, набору параметрів оптимальної структури відповідає найбільш широкий спектр частот ультразвукового сигналу, а також найбільша амплітуда характеристика.

Альтернативою умовним методам визначення міцності є інваріантні, незалежні від обстановки досвіду. До інваріантним характеристикам міцності відносяться максимальне напруження зсуву (Рк), структурна в'язкість і інші, які визначаються за допомогою побудови реологічних кривих за даними вимірів на віскозиметрах, Пластометри та інших приладах. Принцип дії таких приладів заснований на закінчення маси через капіляр заданого діаметра або на зануренні в речовина металевого конуса, кулі або інших тел. При випробуваннях здійснюється чистий і однорідний зрушення частинок речовини відносно один одного в площинних або циліндричних (коаксіальних) приладах (віскозиметрах) і досить чітко встановлюється, що міцності істотно залежать від тривалості дії механічного зусилля, є типовими кінетичними величинами.

Крім міцності технічної або реальної, яка визначається за допомогою умовних або інваріантних приладів, існує міцність, обумовлена обчисленням і тому звана теоретичної. Найпростіший метод оцінки теоретичної міцності твердих тіл був, свого часу, запропонований Поляни. Так, якщо для розриву стрижня перетином 1 м 2 потрібно було прикласти напругу ат, a атомні площини при цьому пішли один від одного на величину а, адекватну порядку параметра кристалічної решітки, то робота виразилася як сто • а. При розриві утворилися дві нові поверхні площею 2 м 2 , а витрачена робота перейшла в вільну поверхневу енергію. Останню можна позначити як g і висловити в Дж / м 2 . Отже, зі • а = 2g. Звідси шукана теоретична міцність ат = 2 gla.

Існують і інші методи визначення теоретичної міцності крихких твердих тіл, наприклад по теплоті сублімації (перехід речовини з твердого стану в газоподібний без перетворення в рідину); за методом Поляни-Орована (з сил молекулярного взаємодії) і ін. Встановлено, що незалежно від методу обчислення результати дають близькі значення теоретичної міцності для твердих тіл: ат = 0,1 Е. З огляду на високі значення модуля пружності (табл. 3.2), стає очевидним, що теоретична міцність твердих тіл і кристалів також дуже велика. Що ж стосується технічної (реальної) міцності, то вона в 100-1000 разів, т. Е. На два-три десяткових порядку, нижче теоретичної міцності (див. Табл. 3.2). Велика відмінність між теоретичною і реальною міцністю матеріалів пояснюється дефектностью мікроструктури, т. Е. Наявністю мікротріщин, пор і т. І. Чим більше зразки твердих тіл, прийнятих для випробування, тим більше концентрується в них дефектів, а тому їх реальна міцність нижче, т. Е. Діє зворотна залежність міцності від розміру виробів (масштабного фактора).

Таблиця 3.2. Властивості деяких металевих і неметалевих матеріалів

речовина

Модуль пружності Е, 10-7 Па

Теоретична міцність Оо, 10 7 Па

Технічна міцність ст т , 10 7 Па

ставлення

Оо / сг,

алюміній катаний

6000

600

9

65

мідь прокатна

12000

1200

23

50

Залізовуглецеві сталь

21000

2100

30

70

Скло

8000

800

8

100

Дерево вздовж волокон

1100

ПО

12

9

полістирол

300

30

3

10

Найбільш докладно метод розрахунку реальної (технічної) міцності крихких твердих тіл досліджував Гріффітс. Ним запропонована формула для розрахунку цієї міцності матеріалу, що має мікротріщину:

де g і Е - відповідно вільна поверхнева енергія зразка і модуль пружності матеріалу, / - довжина поперечної мікротріщини в зразку, складова зазвичай до моменту руйнування зразка кілька мікрон або більше; р - числовий коефіцієнт, що залежить від в'язкості і характеру матеріалу: наявності кристалічної і аморфної фаз, їх кількісного співвідношення, дефектів в кристалічній решітці (вакансій, дислокації), мікропор в аморфної частини структури.

Слід зазначити, що міцність більше, ніж деякі інші властивості матеріалу, проявляє чутливість до явищ і процесів формування і зміни структури, особливо кристалічної. Міцність є структурно-чутливим властивістю, тому її можна змінювати в необхідному напрямку шляхом відповідних коректив структури на мікро- або макрорівні; зменшення дефектів; введення добавок, наприклад, кристалічних запалів; підвищення дисперсності новообразующимися фаз; оптимізації структури, зміни пористості і розміру пір і ін.

Додатковими характеристиками механічних властивостей матеріалів служать твердість, стираність, ударна в'язкість. Твердість висловлює здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього більш твердих тіл, наприклад, при випробуванні на склерометри шляхом вдавлення сталевої кульки або сталевого конуса, дряпанні різцем, свердління, ударі молотком, кульове ви

стрілі тощо. Ці випробування дають умовні значення твердості або тільки якісні, наприклад, по сліду дряпання, або також і кількісні - за глибиною або площі відбитка з урахуванням прикладеного навантаження. Нерідко прагнуть перейти від отриманого значення твердості до величини міцності. Встановлюються відносини між твердістю і міцністю тим менш точні, ніж пластичнее матеріал. Тільки у тендітних тел дряпання можна більш-менш надійно порівнювати з міцністю, оскільки обидва цих властивості обумовлені в основному зчепленням між мікрочастинками матеріалу.

Нерідко про твердість судять також за втрати маси зразків при стиранні на металевих колах з додаванням абразивних порошків.

Більш складним властивістю, що включає міцність і твердість, служить знос. Про зносостійкості матеріалу судять по випробуванню проби певної маси в обертовому барабані з металевими кульками або без куль, протягом певного періоду часу або певної частоти обертання. Чим більше подрібнюється проба, тим, отже, і більше її знос (у%).

Ударна в'язкість характеризує здатність матеріалу чинити опір зосередженим ударних навантажень і визначається кількістю роботи, що витрачається на злам зразка в фіксованому за допомогою насічки місці. Робота, віднесена до площі діаметра зразка, характеризує одиничну ударну роботу на злам, звану питомої ударної в'язкістю. Вона має практичне значення при оцінці якості металів, азбестоцементних виробів, наприклад, покрівельних листів і плит.

 
<<   ЗМІСТ   >>