69939

Классификация строительных материалов. Состав, структура и основные свойства строительных материалов

Лекция

Архитектура, проектирование и строительство

Строительными называются материалы для возведения и ремонта зданий и сооружений. Изучение строительных материалов в вузе предполагает не просто знакомство с названиями и применением материалов. В высшем учебном заведении не должно быть чисто информационных курсов.

Русский

2014-10-13

199 KB

15 чел.

PAGE  11


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Лекция 1 по дисциплине «Строительные материалы» для 1 курса (бакалавриат)

Тема. Предмет курса. Классификация строительных материалов. Состав,  структура и основные свойства строительных материалов

1. Введение. Предмет курса.

Строительными называются материалы для возведения и ремонта зданий и сооружений. Изучение строительных материалов в вузе предполагает не просто знакомство с названиями и применением материалов. В высшем учебном заведении не должно быть чисто информационных курсов. Просто информацию о материалах можно найти, например, в интернете. Вы должны представлять себе, что знания бывают двух видов – знания системные («где есть чего понимать») и знания – информация, где понимать нечего, а надо просто запомнить.

Конечно, одними системными знаниями не обойтись – получится очень схематично. Совсем без рутинной информации не обойтись, хотя бы потому, что некоторые из вас не знают еще и названий многих материалов. Но нельзя ограничиваться, например, сообщением, что кирпич – параллелепипед таких-то размеров и применяется там-то и там-то. Это можно знать и без диплома инженера. А в вузе - наука о материалах, которая изучает состав, структуру и свойства и  способы производства материалов в их взаимосвязи и по отношению к применению. (см. блок-схему)

На основе  анализа системы СОСТАВ-СТРУКТУРА-СВОЙСТВА-ПРОИЗВОДСТВО   материалов открываются возможности решения двух важнейших задач науки о материалах:              1) прогнозирование поведения материалов в процессе эксплуатации и 2) получение материалов с заданными свойствами, отвечающими требованиям, которые предъявляют к ним строители. Решение первой задачи позволяет предсказывать, как изменятся со временем свойства материала, уложенного "в дело", в зависимости от внешних условий, влияющих на свойства материала (влага, мороз, воздействие вредных веществ, колебания температуры и т.п.).[подробнее о внешних воздействиях на материалы в конструкции здания – см. учебник Л.Н.Попова, распечатка стр. 8-9]. Решение второй задачи позволяет строителю судить о влиянии условий получения на свойства материала. На базе этой теоретической части науки о материалах строитель, особенно проектировщик, может грамотно выбирать материал для той или иной конструкции здания. Грамотно не только с технической стороны, но и с точки зрения экономики.

Строителю-технологу обычно не приходится выбирать материалы – они заданы в проекте. У него другая задача: убедиться в соответствии поставленных ему для стройки материалов проекту, а иногда и требованиям стандартов. Кроме того, он должен уметь, например, правильно складировать, сохранять материал до укладки «в дело» (примеры со строительной столяркой, цементом и пр.). Строитель-технолог часто должен знать и технологию получения материала, например, инженер по дорожному строительству должен помнить, при какой температуре укладывать асфальт (а асфальт бывает разный), как уплотнять его. Другими словами, технолог должен знать и практическую часть науки о материалах. А есть еще работа по проведению экспертизы состояния аварийного здания или здания, требующего ремонта. Здесь тоже пригодится знание материалов.

Таким образом, наука о материалах включает в себя теоретическую и практическую часть. Изучение теоретической части позволяет строителю понимать, как говорится, «чувствовать» материал, Это непреходящая часть науки о материалах. Что касается практической части, изложенной в стандартах, то она часто изменяется: вчера асфальты делили на горячие, теплые и холодные, а сегодня – только на горячие и холодные. Вчера обозначали цемент так, а сегодня по-другому.

В этом семестре вы знакомитесь с материалами и наукой о них. В следующем семестре у студентов по профилю ПГС будет курс строительного материаловедения, у дорожников – курс дорожно-строительных материалов, а будущие специалисты по экспертизе знакомство с материалами закончат в этом семестре.

(База науки о материалах – физика, химия; применение знаний в последующих курсах – архитектура, ТСП, конструкции)

(Виды и организация занятий, формы контроля, рейтинговая система)

2. Классификация строительных материалов.

Классификация Н.А.Попова исходит из условий работы материала в сооружении. Материалы по этой классификации делят на две большие группы.

  1.  Конструкционные материалы, пригодные для несущих конструкций. От них требуется, прежде всего, прочность. К этой группе относятся природные и искусственные каменные материалы [примеры], металлы, древесина, композиционные материалы [примеры].
  2.  Строительные материалы специального назначения: теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, кровельные, герметизирующие, отделочные, антикоррозионные, огнеупорные.

Архитектурно-строительная классификация.

В соответствии с этой классификацией материалы делят по назначению на конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные.

Понятие конструкционных материалов в этой классификации иное, чем в классификации Н.А.Попова. Конструкционными считаются не только материалы для несущих конструкций, но все материалы, входящие в конструкцию. Например, есть конструкция бетонной стеновой панели, во внутреннюю полость которой помещаются теплоизоляционные вкладыши. Теплоизоляционный материал в данном случае относится также к конструкционным. Также к конструкционным материалам по данной классификации относят герметизирующие, звукоизоляционные, гидроизоляционные материалы.

Конструкционно-отделочные материалы имеют, в отличие от конструкционных, красивый внешний вид, обладают свойством декоративности. Они входят в наружный слой конструкции. Например, лицевой кирпич входит в конструкцию стены, но его декоративная грань всегда обращена наружу, на фасад здания. По лицевому кирпичу не нужна штукатурка.

Отделочные материалы изначально не входят в конструкцию, ими отделывают ее поверхность, когда здание уже построено, с целью придания декоративности (краски, лаки, облицовочные плитки, плиты и панели, обои и др.).

Приведенная классификация удобна для архитекторов и проектировщиков, поскольку позволяет сопоставить варианты возможных решений при проектировании.

Генетическая классификация (по происхождению и технологическому признаку) удобна при производстве материалов, а также позволяет понять сущность материала.

В зависимости от происхождения все строительные материалы делят на  два больших класса:  ПРИРОДНЫЕ и ИСКУССТВЕННЫЕ (рис.1)

Камни  и  древесина  -  два природных источника строительных материалов.  ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ  строительные материалы  получают механической  обработкой горных пород, так что готовый материал (изделие) сохраняет структуру породы. Точно также ПРИРОДНЫМ ДРЕВЕСНЫМ  (ЛЕСНЫМ)  строительным  материалом  называют продукт механической обработки древесины, в  котором не нарушена естественная слоисто-волокнистая  структура древесной породы. (Примеры)

Температурному воздействию - обжигу - подвергается, конечно, только неорганическое сырье -  мелкие или крупные куски минералов и горных пород. В  зависимости от  результата процесса  различают три  вида обжига: а) обжиг не до спекания с получением рассыпчатого продукта; б)  обжиг до спекания  - получается спекшийся продукт, при большой степени спекания  его называют клинкером; в)  обжиг до расплавления,  расплавленная масса  может при  охлаждении кристаллизоваться или  оставаться в  аморфном (незакристаллизованном) состоянии. В зависимости от вида обжига  получаются материалы разной структуры.

На рис.1.  не показаны  материалы, обожженные не до спекания. Это некоторые вяжущие вещества,  например,  строительный  гипс,  известь.

К  группе  материалов,  обожженных до спекания, относят, в частности, глиняный кирпич и  портландцементный клинкер. Группа плавленых  материалов представлена, в  основном, металлами и  стеклами. Первые имеют  в затвердевшем состоянии  микрокристаллическую структуру, вторые - аморфную.

Рис.1. Схема классификации строительных материалов по генетическому признаку. Сокращения: СМ -  строительные материалы; до спек. - материалы,  полученные обжигом до спекания продукта; до плавл. - материалы, полученные обжигом до расплавления продукта (плавленые материалы); на н/о вяж.- материалы на  неорганических вяжущих; на орг. вяж. - материалы на органических вяжущих.

Среди обжиговых материалов выделяют (по  строительному назначению)  группу материалов,  называемую неорганическими вяжущими  веществами. Вяжущие вещества являются важнейшей составной частью безобжиговых  материалов

Вяжущие вещества (в дальнейшем "вяжущие") обладают свойством переходить из жидкотекучего или  пастообразного  состояния  в  твердое. Например, цемент при смешивании с определенным количеством воды  дает тесто, которое со временем самопроизвольно затвердевает  в  камень. Вяжущими свойствами обладают и некоторые  органические  материалы.  Нефтяной  битум,  называемый в быту смолой,  после разогрева  становится жидкотекучим, а при  охлаждении снова затвердевает

Безобжиговые материалы состоят из заполнителей и вяжущих. Заполнителями могут быть крупные частицы, волокна или листы. Вяжущие склеивают заполнители безобжигового  материала. Например, цементный бетон получают, смешивая щебень, песок, цемент и  воду. Полученную бетонную смесь укладывают в форму  или опалубку и оставляют для отвердевания. В  затвердевшем бетоне  на изломе  или в  разрезе видны  частицы заполнителей – щебня и песка, – а между ними вяжущее – затвердевший цемент (цементный камень). Часто безобжиговые материалы на вяжущих называют композиционными материалами. Это не всегда верно. Определение композиционного материала будет дано в курсе строительного материаловедения (студентам профиля ПГС) или в курсе дорожно-строительных материалов (студентам профиля АД).

Безобжиговые материалы наиболее просты в  технологическом отношении. Для  их получения не  нужна ни высокая температура (как для обжиговых  материалов), ни дорогостоящий инструмент (как для обработки  природного камня). Их получают не только на специальных предприятиях, но и  сами строители, часто  непосредственно на строительной площадке или рядом с ней.

3. Состав строительных материалов и способы его выражения

По химическому составу материалы можно разделить на три большие группы;

  •  каменные материалы (природные камни, кирпич, бетон, стекло и др.);
  •  металлические материалы (прокатные и гнутые профили, арматура, листовой металл, металлические изделия, крепеж  и др.);
  •  органические материалы (древесина, битум, полимеры).

Конечно, с точки зрения химии  камни и металлы можно назвать неорганическими материалами. Но различие в свойствах у них весьма велико. Сходство всех неорганических материалов лишь в том, что они не горят. Органические материалы не выдерживают высокой температуры, сгорают.

Многие безобжиговые материалы состоят из минеральной (неорганической) и органической части. При этом могут быть материалы с органическим заполнителем и минеральным вяжущим (например, фибролит) или, наоборот, – с минеральным заполнителем и органическим вяжущим (например, асфальтобетон).

Количественно состав строительных материалов может быть выражен разными способами

Сырьевой (технологический) состав материала указывает исходные (сырьевые) материалы, из которых изготовлен данный материал, содержание составных частей в относительных единицах (в процентах по массе или объему, в кг/м3 и т.п.). Этот способ выражения удобен для безобжиговых материалов на вяжущих. (Пример, состав бетона). Для материалов, которые в процессе получения подвергаются действию высокой температуры этот способ выражения состава применять нельзя, потому что исходные материалы вступают в химические реакции, в готовом продукте сырьевые материалы отсутствуют.

Химический состав материала может задаваться в одном из трех вариантов:

  •  элементный (говорят также «элементарный») состав выражается процентным содержанием химических элементов в данном материале (этот способ выражения всегда применяется для металлов и часто для органических материалов);
  •  минеральный состав неорганических (обжиговых или природных камней) выражается содержанием оксидов в материале, при этом указанные оксиды находятся чаще всего не в свободном, а в связанном состоянии (например, минерал ангидрит CaSO4 может быть представлен как CaO.SO3, при этом считают процентное содержание в нем оксидов CaO и SO3);
  •  вещественный состав материала показывает, какие химические соединения (вещества) входят в его состав; этот способ выражения применяется как для органических, так и каменных неорганических материалов.

 Фазовый состав характеризует число фаз, т.е число однородных частей в неоднородном материале. Число твердых фаз соответствует числу типов кристаллов и аморфных образований. Поры в материале являются газовой фазой. Жидкой фазой является вода в порах, которая при низких температурах образует твердую фазу – лед. Поры обычно оказывают большое влияние на все свойства материала, поэтому содержание их (пористость в долях или в % к объему материала) – важная характеристика материала.

4. Структура строительных материалов

СТРУКТУРА - строение, внутреннее устройство материала, которое можно изобразить наглядно на  основании прямых наблюдений  или косвенных данных.  Описать структуру - это значит указать размеры и  форму элементов (агрегатов),  составляющих материал,  и их взаимное расположение

Структура - одна из основных характеристик  материала. Почти все его свойства зависят от  структуры. Структура в большей степени, чем химический  состав,  определяет  особенности  материала.  Одному и тому  же  химическому  составу может соответствовать несколько  материалов  разной  структуры.  Например, кварцевое стекло,  кварцевый песок,  кварцит, песчаник, вулканический пепел, диатомит, трепел, опока  и даже легкий  пористый поглотитель  влаги, называемый силикагелем, - все эти материалы имеют в своем  составе одно и то же основное химическое вещество - оксид кремния, или кремнезем.  Различия во внешнем виде и свойствах перечисленных материалов  обусловлены, прежде всего, их разной структурой.

В  зависимости  от  размера элементов различают макро-,  микро - и ультрамикроструктуру материалов.

МАКРОСТРУКТУРА характеризует строение  материала, видимое простым глазом. Элементами структуры при этом могут  быть крупные  кристаллы, частицы  неправильной формы, волокна, листы, видимые поры  (макропоры).  Размеры  структурных  элементов  от 0,1 мм и более.

Знакомство с материалом начинается с наблюдения его макроструктуры. Макроструктуру часто указывают с помощью прилагательного перед словом "материал"  или его названием. Например, выражения "зернистый  материал", "волокнистый  материал", "пористый  кирпич" - содержат  характеристику  макроструктуры.  По макроструктуре, т.е.  по внешнему  виду материала,  можно дать первичное заключение о его свойствах. Так,  пористые материалы имеют повышенную  теплоизоляционную способность, жесткие волокнистые - хорошо  сопротивляются изгибающим усилиям и т.д.

Макроструктура  оказывает  сильное  влияние  на механические свойства, в  частности, на прочность  и деформативность материалов.

МИКРОСТРУКТУРА - строение материала, видимое  в оптический микроскоп.  Структурные элементы - микрокристаллы, микрочастицы, микроволокна, микроскопические капли жидкости, микропоры - имеют размеры 0,1 - 0,001 мм  (100... 1  мкм). Наименьший  размер частиц ограничен разрешающей  способностью оптического  микроскопа.

УЛЬТРАМИКРОСТРУКТУРА (коллоидная структура) характеризует строение материала на уровне частиц, имеющих размеры, характерные для коллоидных систем  - 0,1... 0,001 мкм.  Элементы  ультрамикроструктуры  -  зародыши кристаллов, коллоидные частицы, поры в пределах указанных размеров, молекулы полимеров. Ультрамикроструктура  (коллоидная структура) изучается с помощью  ультрамикроскопа, электронного  микроскопа и  другими методами, принятыми в коллоидной химии.

Из характеристики типов структур в материалах видно, что поры являются не только элементами фазового состава, но и элементами структуры материала. Как структурные элементы поры характеризуются размером, формой, распределением объема пор по размерам, открытостью или замкнутостью, взаимосвязью между собой.

ПРИНЦИП ПОЛИСТРУКТУРНОСТИ, предложенный В.И.Соломатовым,  рассматривает  структуру строительного материала как "структуру в структуре". Например, визуально  однородная среда  в макроструктуре под микроскопом оказывается сложным структурным образованием. Частица микроструктуры может  состоять из множества коллоидных частиц. Для практических целей часто достаточно рассматривать два структурных уровня: макроструктуру и микроструктуру. Есть материалы, имеющие моноструктуру. Например, обычные металлы имеют только поликристаллическую микроструктуру.

Кроме перечисленных видов структуры, все  материалы имеют  ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ на уровне  атомов, молекул, ионов. Его изучением занимается физика и химия. Вопросы внутреннего строения некоторых материалов (стекло) и некоторых минералов (силикаты) рассматриваются в нашем курсе и в курсе строительного материаловедения.

5. Основные свойства строительных материалов

Свойство – характеристика материала (изделия), проявляющаяся в процессе его переработки, применения или эксплуатации.

Качество материала – совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

 В данном курсе свойства материалов будем делить на четыре основные группы:

  •  структурные характеристики и физические свойства характеризуют особенности физического состояния, обусловленного структурой материала, или определяют отношение материала к различным физическим процессам;
  •  механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушению и деформированию под действием внешних сил (нагрузок);
  •  химические и физико-химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое или физико-химическое взаимодействие с окружающей средой в процессе эксплуатации (растворимость, адгезия, стойкость к действию кислот и щелочей и др.);
  •  технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным видам технологической обработки при изготовлении из него изделий, изменяющим состояние материала, структуру его поверхности, придающим нужную форму, размеры и свойства (формуемость, удобоукладываемость, свариваемость, ковкость, гвоздимость, спекаемость и др.).

Приведенное деление свойств на группы – не единственный подход к классификации свойств. В литературе часто выделяют строительно-технические свойства, которые определяют возможность использования материалов в зданиях, сооружениях. Они, в свою очередь, подразделяются на конструкционные, изоляционные, декоративные и др. Очевидно, что эти группы свойств можно отнести и к приведенной выше классификации. Например, конструкционные свойства относятся к механическим, изоляционные и декоративные – к физическим и т.п.

Здесь мы рассмотрим только некоторые структурные характеристики, физические и механические свойства. Химические и технологические свойства изучаются для разных групп материалов в соответствующих разделах. Кроме того, более подробное рассмотрение свойств будет в последующих курсах (для студентов профилей ПГС и АД)

5.1.Структурные характеристики и физические свойства материалов

Плотность как физическая величина выражается отношением массы к объему. Для большей части строительных материалов и изделий их объем включает в себя поры, внутренние пустоты или полости. Поэтому плотность может быть определена двумя величинами.

Истинная плотность - отношение массы сухого материала к его объему без пор и пустот, т.е. к объему собственно твердого вещества, из которого состоит материал. Этот объем называют абсолютным.

Средняя плотность - отношение массы сухого материала к его объему вместе с порами и технологическими пустотами. Этот объем называют естественным объемом материала. Если материал сыпучий (зернистый, кусковой), для него можно выразить плотность еще одним способом.

Насыпная плотность - отношение массы сухого материала к его объему в свободно насыпанном состоянии. Этот объем называют насыпным. Он включает в себя куски (зерна, гранулы, частицы) материала и промежутки между ними - межзерновые пустоты.

Конечно, для одного куска материала можно говорить лишь об истинной и средней плотности. Если из контекста ясно, о какой плотности идет речь, то пишут просто "плотность". Чаще всего под просто плотностью подразумевают среднюю плотность

Введем следующие обозначения:Мс - масса сухого материала;V - абсолютный объем материала;Vo - естественный объем материала;Vн - насыпной объем материала.

Тогда определяющие выражения для плотности имеют вид:

истинная плотность:

;                                                                                                                                        (1)

средняя плотность:

;                                                                                                                                      (2)

насыпная плотность:

.                                                                                                                                      (3)

В зависимости от единиц массы и объема любая плотность может быть выражена в кг/м3, кг/л, г/см3 и других единицах. Насыпную плотность чаще всего выражают в кг/м3, истинную в г/см3. Если в одной и той же формуле встречаются два вида  плотности (см., например, формулу 5),то они должны быть выражены в одних и тех же единицах.

Пористость - доля (или процент) пор в естественном объеме материала, или, более точно, отношение объема пор к естественному объему материала:

                                                                                                               (4)

формула выражает пористость в долях от 1 (если объем принять за 1). Для выражения в процентах долю, т.е. предыдущее выражение, надо умножить на 100.

Выражение (4) является определяющим для пористости, но делать расчеты по этой формуле в случае рассеянных по всему объему материала пор затруднительно из-за неопределенности величины абсолютного объема. Поэтому для расчетов выражают V и V0 из формул (1) и (2) через массу и плотность и, подставляя их в (4), получают общую пористость П0 в виде

                                                                                                                              (5)

или в процентах

                                                                                                              (5.1)

Открытая пористость - доля или процент пор в естественном объеме материала, доступных для проникновения воды или другой жидкости.

В случае открытой пористости объем пор Vпор в формуле (4) должен быть заменен объемом воды, заполняющей поры – Vв. Обычно Vв < Vпор из-за наличия пор, недоступных для проникновения воды (закрытых или замкнутых пор).

Закрытая пористость равна разности между общей и открытой пористостью

Пористость является основной структурной характеристикой, определяющей такие свойства материала, как водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость, прочность и др.

Пустотность (или межзерновая пустотность) - доля или процент пустот в свободно насыпанном объеме материала, или отношение объема пустот (т.е. пространства, незанятого кусками или зернами материала) к насыпному объему материала:

                                                                                                        (6)

При расчетах величины V0 и Vн, выраженные из формул (2) и (3) через массы и плотности, подставляют в (6) и получают:

                                                                                                                             (7)

Ппуст может быть также выражена в долях, как в формуле (7), или в процентах

или в процентах

Влажность - процентное содержание влаги в массе материала, т.е. выраженное в процентах отношение массы воды внутри материала к массе сухого материала:

                                                                                                         (8)

где Мвл – Мc = Мв - масса воды, равная разности масс влажного и сухого материала.

Все материалы в естественном состоянии имеют какую-то влажность, так как способны адсорбировать влагу из воздуха. В том случае, когда материал полностью насыщен водой, говорят о водопоглощении материала.

Водопоглощение по массе - максимальная влажность, которую приобретает материал после выдерживания в воде в течение определенного времени:

                                                                                                      (9)

где Мнас - масса материала, насыщенного водой (Мнас > Мвл).

Водопоглощение по объему - отношение объема воды, насыщающей материал, к объему материала (выражается в процентах):

                                                                                                                     (10)

Заменяя Vв отношением массы поглощенной воды к ее плотности, получим для W0 формулу:

                                                                                                    (11)

Поделив выражение (11) на (10) и учитывая формулу (2), получим, что отношение W0/Wm равно отношению средней плотности материала к плотности воды. Эта величина называется относительной плотностью материала (по отношению к воде):

                                                                                                                                    (12)

Относительная плотность материала D показывает, во сколько раз материал в естественном состоянии тяжелее воды (если относительная плотность меньше единицы, то это значит, что материал легче воды). Эта величина безразмерна, но численно она равна средней плотности в г/см3.

Коэффициент размягчения (коэффициент водостойкости) - отношение прочности насыщенного водой материала к прочности сухого материала:

                                                                                                                           (13)

Величина Кразм для разных материалов принимает значения от 0 (материал полностью размокает в воде) до 1 (материал не изменяет своей прочности при насыщении водой). Для конструкционных материалов, эксплуатируемых во влажных условиях, например, в фундаментах, Кразм должен быть не менее 0.8.

Морозостойкость.

Поскольку объем льда на 9 % больше объема жидкой воды при одной и той же массе, при замерзании воды в порах материала происходят деформации (распирание стенок пор), приводящие при многократном замораживании и оттаивании к трещинам, потере прочности и, в конечном счете, к разрушению материала. Морозостойкость количественно характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает материал, теряя при этом не более 15% прочности или не более 5% массы.

Число циклов, отвечающее этому условию, округленное до определенных значений, называется маркой материала по морозостойкости. Для разных материалов стандартами приняты следующие марки: 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и т.д. Перед числом, обозначающим марку по морозостойкости, ставится латинская буква F: F10, F15, F25 и т.д. Например, если материал после 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания потерял 10% прочности, а после 35 циклов - уже 16%, то марка по морозостойкости будет F25.

Теплопроводность.

Количественной характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности λ:

                                                                                                                 (14),

где Q – количество теплоты, проходящей через материал; b – толщина материала; τ – продолжительность (время) прохождения теплоты; S – площадь, через которую проходит тепло; t1 и t2 – температура на противоположных по толщине сторонах материала.

Для краткости коэффициент теплопроводности называют теплопроводностью.

Таким образом, теплопроводность численно равна количеству тепла, проходящему через материал единичной толщины в единицу времени через единицу площади при разности температур между наружной и внутренней поверхностями материала в один градус. Нетрудно убедиться, что размерность теплопроводности в системе СИ - Вт/м.°С.

5.2. Механические свойства материалов

Деформационные свойства материала характеризуют его способность изменять под нагрузкой свои форму и размеры без разрушения.

Упругость - способность материала самопроизвольно восстанавливать свои размеры после снятия нагрузки (обратимо деформироваться). При упругой работе материала справедлив закон Гука:

                                                                                                                                (15)

где - нормальное напряжение;  - относительная упругая

деформация;  E - модуль упругости (модуль Юнга).

Для большинства строительных материалов закон Гука справедлив лишь до определенного напряжения (предела упругости). При нагрузках, соответствующих большим напряжениям, материал деформируется необратимо, проявляет свойство пластичности:  после снятия нагрузки в нем сохраняется некоторая остаточная деформация

Ползучесть - увеличение деформации в материале со временем при постоянном напряжении, которое ниже предела текучести данного материала. Примером ползучести является постепенное увеличение прогиба книжной полки со временем при постоянном числе книг на ней. Наличие ползучести у материала показывает, что свойство пластичности проявляется у него не только после свойства упругости (при больших нагрузках), но и одновременно с ним, при небольших нагрузках с течением времени. Деформация ползучести для некоторых материалов (пластики, битум и др.) выражается формулой (16)

                                                                                                                           (16),

где σ – механическое напряжение в материале; η – вязкость материала (имеет тот же смысл, что и вязкость жидкости); t – длительность (время) приложения нагрузки.

Для других материалов выражения для деформации ползучести оказываются более сложными.

Релаксация напряжений - уменьшение напряжения в нагруженном материале при постоянной деформации. Пример релаксации - ослабление со временем натяжения веревки или струны, натянутой между неподвижными опорами. Количественное выражение релаксации напряжений можно получить, дифференцируя по времени выражение зависимости ползучести от времени при Для материалов, в которых свойства упругости и пластичности проявляются под нагрузкой одновременно (например, неармированные пластики, битум) релаксация напряжений может быть выражена формулой:

                                                                                                                  (17)

где - постоянная времени релаксации, показывает время, в течение которого первоначальное напряжение в материале  уменьшается в e раз (e - основание натуральных логарифмов).

Для бетона и других важных строительных конструкционных материалов формулы, характеризующие ползучесть и релаксацию, усложняются.

Из формул (16) и (17), в частности, следует, что неармированные пластики ползут и релаксируют вплоть до разрушения и поэтому непригодны для несущих конструкций.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними воздействиями. Количественно прочность характеризуется пределом прочности материала. В курсе строительных материалов предел прочности (для краткости - прочность) обозначается R.

Прочность при сжатии

                                                                                                                                 (18)

где S - площадь поперечного сечения образца, перпендикулярная линии действия нагрузки P.

Прочность при растяжении вычисляется по формуле, аналогичной (18), отличие лишь в направлении действия силы:

                                                                                                                                    (19)

Прочность при изгибе в общем случае рассчитывается как отношение изгибающего момента при разрушении (M) к моменту сопротивления сечения образца материала в виде балки (W):

                                                                                                                                 (20)

Если испытания  на прочность при изгибе проводят по схеме

                 P       L/2

                   L

то формула (20) сводится к виду

                                                                                                                        (20.1)

где b - ширина балки; h - ее высота (толщина); L - расстояние между опорами; P - нагрузка при разрушении.

Возможны и другие схемы испытаний на изгиб.

Единица прочности в системе СИ - паскаль (1 Па = 1 Н/м2). Для строительных материалов обычно используют в миллион раз большую единицу - мегапаскаль (1 МПа).

В большинстве лабораторий преобладают еще старые приборы для измерения усилий, градуированные не в ньютонах, а килограммах силы (кгс). Размеры лабораторных образцов удобнее измерять в см. Поэтому по результатам лабораторных испытаний прочность часто рассчитывается в кгс/cм2. (1 кгс/cм2 = 0,1 Мпа)

Коэффициент конструктивного качества материала (KKK) отношение прочности материала R (MПа) к относительной плотности материала D (D - безразмерная величина).

                                                                                                                               (21)

Чем прочнее материал  и чем он  легче, тем больше ККК и выше качество данного материала как конструкционного. Следовательно, величина ККК имеет смысл при сравнении данного материала с другим, при выборе материала конструкции.

Раскрывая выражение (21), т.е. подставляя в него формулы для R и D двух материалов поочередно (материалы предполагаются оформленными в аналогичные конструкции), и, взяв отношение полученных формул, можно убедиться, что

- при одной и той же нагрузке меньшую массу будет иметь та конструкция, материал которой имеет больший ККК;

- при одной и той же массе большую нагрузку выдержит та конструкция, материал которой имеет больший ККК.

Коэффициент конструктивного качества называют также удельной прочностью.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16954. Работа ЭБ с неполным числом петель 1 контура 51 KB
  Тема: Работа ЭБ с неполным числом петель 1 контура. План лекции Введение 1.Последовательность операций при отключении петли в резерв. 2.Подготовка петли к работе. 3.Ввод петли в работу. 4.Эксплуатация ЭБ в режиме продления компании...
16955. Перевод ЭБ из состояния «Горячий останов» в состояние Холодный останов 147.5 KB
  Лекция № 15 Тема: Перевод ЭБ из состояния Горячий останов в состояние Холодный останов. План лекции Введение 1.Подготовка РУ к расхолаживанию. 2.Расхолаживание 1 контура. 3. Расхолаживание 1 контура системой TQ122232. 4.Окончательное расхолаживание 1 контура
16956. Перевод ЭБ из состояния «работа на мощности» в состояние «горячий останов» 81 KB
  Тема: Перевод ЭБ из состояния работа на мощности в состояние горячий останов. План лекции Введение 1. Подготовка к снижению мощности и снижение мощности реактора. 2. Останов турбогенератора. 3. Разгрузка реактор...
16957. Перевод ЭБ из режима «Холодный останов» в режим «останов для ремонта» и «останов для перегрузки» 83 KB
  Тема: Перевод ЭБ из режима Холодный останов в режим останов для ремонта и останов для перегрузки. План лекции Введение 1.Дренирование 1 контура и консервация ПГ. 2.Подготовка ЭБ к ремонту. 3.Подготовка РУ к перегрузке топлива. ...
16958. Задачи и организационная структура управления эксплуатацией АЭС 84.5 KB
  Тема: Задачи и организационная структура управления эксплуатацией АЭС. План лекции Введение 1.Задачи эксплуатации АЭС. 2.Типовая организационная структура управления эксплуатацией АС. Выводы по лекции. Литература: 1.Острековский В.А. Эксплуатация АС. Москв
16959. Эксплуатационно-техническая документация на АЭС 106 KB
  PAGE 12 Лекция №3. Тема: Эксплуатационнотехническая документация на АЭС. План лекции. Введение. 1.Виды эксплуатационнотехнической документации на АЭС. 2.Руководящая документация на АЭС. 3.Пономерная документация на АЭС. 4. Документация опе...
16960. Эксплуатация ЭБ при снижении и повышении нагрузки генератора 120.5 KB
  Лекция № 13 Тема: Эксплуатация ЭБ при снижении и повышении нагрузки генератора. План лекции Введение. Эксплуатация ЭБ при снижении нагрузки. Эксплуатация ЭБ при повышении нагрузки. Выводы по лекции. Литература: Инструкция по эксплуатации...
16961. Перевод ЭБ в состояние холодный останов 83 KB
  Тема: Перевод ЭБ в состояние холодный останов. План лекции Введение Исходное состояние реакторной установки перед подготовкой к пуску после перегрузки топлива. Подготовительные операции по переводу реакторной установки в €œхолодный останов€.
16962. Імпорт таблиць. Встановлення звязків між таблицями 54 KB
  Практична робота №1 Тема: Імпорт таблиць. Встановлення звязків між таблицями. Мета: навчитися імпортувати таблиці MS Excel в таблиці Ms Access а також навчитися звязувати таблиці. Устаткування: ПК. Операційна система Windows СУБД Ms Access. Правила ТБ. Методичні реком...