Материалы это материальная субстанция, используемая для производства, изготовления вещей или преобразования в другие материальные субстанции, объекты и предметы, на практике это — продукция, которую расходуют с изменением формы, состава или состояния при изготовлении изделий. В зависимости от выбранного материала окончательное изделие будет обладать тем или иным свойством.
Механические свойства
Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.
Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановись свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией.
Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезнувшую после снятия нагрузки, называют необратимой.
Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: относительная деформация, модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона.
Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину dl в направлении действия силы.
Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации dl к первоначальному линейному размеру l тела.
Формула расчета: є = dl / l,
где є — относительная деформация.
Модуль упругости (модуль Юнга) связывает упругую деформацию є и одноосное напряжение s линейным соотношением, выражающим закон Гука.
Формула расчета: є = s / E ,
где E — модуль Юнга.
При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:
s = Р / F,
где Р — действующая сила; F — площадь первоначального поперечного сечения элемента.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости.
Зависимость модуля упругости Е ряда материалов от температуры плавления ( tпл. ) смотри в таблице.
Модуль упругости Е связан с другими упругими характеристиками материала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное растяжение (сжатие) sz вызовет деформацию по этой оси — єz и сжатие по боковым направлениям — єx и — єy, которые у изотропного материала равны между собой.
Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия µ равен отношению:
µ = — єx / єz.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Коэффициент Пуассона бетона — 0,17 — 0,2, полиэтилена — 0,4.
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.).
Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации.
Схема диаграмм деформаций.
Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии.
Предел прочности при осевом сжатии равен частному от деления разрушающей силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы).
Формула расчета: Rсж = Рразр / F,
где Rсж — предел прочности при осевом сжатии; Рразр — разрушающая сила; F — первоначальная площадь поперечного сечения образца.
Предел прочности при осевом растяжении Rр используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.
В зависимости от соотношения Rр / Rсж можно условно разделить материалы на три группы:
1) материалы, у которых Rр > Rсж (волокнистые — древесина и др.) ;
2) Rр = Rсж (сталь);
3) Rр < Rсж (хрупкие материалы — природные камни, бетон, кирпич).
Размерность: (Мпа).
Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца в виде балочек на двух опорах.
Формула расчета: Rр•и = М / W,
где Rр•и — предел прочности при изгибе; М — изгибающий момент; W — момент сопротивления.
Размерность: (Мпа).
Коэффициент конструктивного качества (к.к.к.) материала равен отношению показателя прочности R к относительной средней плотности pо.
Формула расчета: к.к.к. = R / pо.
Следовательно, это прочность, отнесённая к единице средней плотности. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой средней плотности.
Примеры значений к.к.к. для некоторых строительных материалов:
стеклопластик — 225; древесина (без пороков) — 200; сталь высокопрочная — 127; сталь — 51; легкий конструкционный бетон — 22,2; тяжелый бетон — 16,6; легкий бетон — 12,5; кирпич — 5,56.
Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10.
1. Тальк, Mg3[Si4O10][OH]2 — легко царапается ногтем.
2. Гипс, CaSO4 • 2H2O — царапается ногтем.
3. Кальцит, CaCO3 — легко царапается стальным ножом.
4. Флюорит (плавиковый шпат), CaF — царапается стальным ножом под небольшим нажимом.
5. Апатит, Ca5 [PO4]3 F — царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз, К2О.Al2О3.6SiO2 — царапает стекло.
7. Кварц, SiO2; топаз, Al2 [SiO4] (F, OH)2; корунд, Al2 О3; алмаз, С — легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.
Твердость древесины, маталлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости
HB = P / F,
где F — площадь поверхности отпечатка.
От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F.
Формула расчета: И = ( m1 — m2 ) / F,
где m1 и m2 — масса образца до и после истирания.
Размерность: (г/кв.см).
Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц, и т. п.
Износом называют свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.
Сопротивление удару — способность материала сопротивляться действию удара падающего груза. Для определения прочности материалов при ударе применяются специальные копры.
Физические свойства
Истинная плотность — масса единицы объёма абсолютно плотного материала.
Формула расчета: p = m / Vа,
где m — масса материала; Vа — его объем в плотном состоянии.
Размерность: (г/куб.см, кг/куб.м).
Средняя плотность — масса единицы oбъема материала в естественном состоянии.
pо = m / V,
где m — масса материала; Vс — его объём вместе с порами.
Размерность: (г/куб.см, кг/куб.м).
Значение средней плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:
p = p / (1 + Wм),
где Wм — количество воды в материале, доли от его массы.
Насыпная плотность ( pн ) — масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.).
Истинная пористость — степень заполнения объема материала порами.
Формула расчета 1: П = Vп / V,
где Vп — объем пор; V — объём материала с порами.
Размерность: в процентах от объема.
Формула расчета 2: П = [1 — ( pо / p)] 100,
где pо — средняя плотность материала; p — истинная плотность материала.
Размерность: в процентах от объема.
Основные свойства строительных материалов представлены в таблице.
Свойства, связанные с действиями воды
Гигроскопичность или сорбционная влажность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.
Поглощение влаги из воздуха называется сорбцией.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.
Водопоглощение определяют по объему и массе.
Водопоглощение по объему — степень поглощения материала водой.
Формула расчета: Wо = ( mв — mс ) / V • 100,
где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mс — масса образца в сухом состоянии; V — объём материала.
Размерность: (%).
Водопоглощение по массе — определяют по отношению к массе сухого материала.
Формула расчета: Wм = ( mв — mс ) / mс • 100,
где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mс — масса образца в сухом состоянии.
Размерность: (%).
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Водопоглощенние различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02- 0,7%, тяжелого плотного бетона — 2-4%, кирпича — 8-15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше.
Связь между водопоглощением по массе и водопоглощением по объему определяется соотношением:
Wо = Wм • pо,
где pо — средняя плотность.
Коэффициент насыщения.
Водопоглощение используют для оценки структуры материла, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой равный отношению водопоглощения по объему к пористости:
kн = Wо / П,
где П — истинная пористость.
Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда Wо = П.
Коэффициент размягчения — отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала.
Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокшие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.
Формула расчета: kр = Rв / Rс,
где Rв — прочность материала, насыщенного водой; Rс — прочности сухого материала.
Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением.
Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость материала.
Формула расчета: kф = Vв a / [ S( P1 — P2 ) t],
где kф = Vв — количество воды в куб.м, проходящей через стенку площадью S = 1 кв.м, толщиной а =
Размерность: (м/ч).
Газо- и паропроницаемость.
При возникновении у поверхности ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала.
Коэффициент газопроницаемости характеризует газо- и паропроницаемость:
Формула расчета: kг = aVp / ( StdP),
где Vp — масса газа или пара (плотностью p), прошедшего через стенку площадью S и толщиной а за время t при разности давлений на гранях стенки dP.
Размерность: [г/(м•ч•Па)].
Относительные значения паро-газопроницаемости некоторых строительных материалов представлены на таблице.
Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.
Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.
Усадка некоторых строительных материалов представлена на таблице.
Свойства, связанные с действиями тепла
Морозостойкость ( F, Мрз) — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без значительной потери в массе и прочности.
Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз 50, Мрз 100 и Мрз 200, гидротехнический бетон — до Мрз 500.
Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой.
На практике удобно судить о теплопроводности по средней плотности материала. Известна формула В.П. Некрасова, связывающая теплопроводность со средней плотностью каменного материала, выраженной по отношению к воде. Значение теплопроводности по этой формуле вычисляется следующим образом:
1,16 • SQRT(0,0196 + 0,22 • pо — 0,16),
где SQRT( ) — операция вычисления квадратного корня; pо — средняя плотность материала.
Размерность: Вт/(мК).
Теплоёмкость определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДЖ/(кг •°С). Теплоёмкость сухих органических материалов (например, древесины) — около 0,7 кДЖ/(кг •°С), вода имеет наибольшую теплоемкость — 1 кДЖ/(кг •°С), поэтому с повышением влажности теплоемкость возрастает.
Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.
Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.
Горючесть — способность материала гореть.
Материалы делятся на горючие (органические) и негорючие (минеральные).
