Структура будівельних матеріалів Основні технічні властивості (стр. 3 из 3)

де δ – товщина матеріалу, м.

Теплопровідність більшості будівельних матеріалів збільшується з підвищенням температури, причому ця залежність в інтервалі від 0 до 100 °С має характер близький до лінійного. Різко підвищується теплопровідність також зі збільшенням вологості матеріалів. В міру підвищення пористості, особливо об'єму дрібних замкнутих пор, теплопровідність матеріалів понижується. Це обумовлено заповненням їх повітрям, що у нерухомому стані має найменшу питому теплопровідність (при 20 °С λ = 0,025 Вт/(м·°С). Знижується теплопровідність і в міру ускладнення хімічного складу матеріалу, переходу від кристалічного до аморфної будови.

Значення питомої теплопровідності λ, Вт/(м·°С): для міді – 350, сталі – 58, граніту – 2,8…3,4, важкого бетону – 1,3…3,4, цегли звичайної – 0,7…0,8, пористого бетону – 0,15…0,4, мінеральної вати – 0,042…0,081, поропластів – 0,035.

Теплопровідність – найважливіший критерій теплоізоляційних властивостей матеріалів. При впливі на матеріали високих температур важливе значення мають їхня теплостійкість, термо- і вогнетривкість, вогнестійкість.

Теплостійкість– властивість матеріалу зберігати експлуатаційні характеристики (наприклад, міцність, пластичність, ударну в’язкість) при механічному і хімічному впливі в умовах високої температури. Жаростійкість – це здатність матеріалу витримувати тривале нагрівання до 1000°С без зміни експлуатаційних характеристик. До жаростійких відносять різні керамічні і металеві матеріали, ситали, спеціальні бетони.

Термостійкість – це здатність матеріалів витримувати без руйнування циклічні зміни температури. Підвищену термостійкість мають матеріали з низьким коефіцієнтом термічного розширення (плавлений кварц, спеціальне скло), високою теплопровідністю і низьким модулем пружності (метали).

Здатність матеріалів зберігати свої експлуатаційні властивості при впливі вогню в умовах пожежі називають вогнестійкістю. Межею вогнестійкості є тривалість опору впливу вогню до втрати несучої здатності (суттєвого зниження міцності і значних деформацій). Наприклад, у бетону межа вогнестійкості 2…5 год., у залізобетону – 1…2 год., у металевих конструкцій – 0,5 год.

Вогнетривкість – це здатність матеріалів протистояти впливу високих температур не розплавляючись. Вона характеризується температурою, при якій зразок усіченої піраміди розм’якшується так, що його вершина, нахиляючись, торкається основи. Для вогнетривких матеріалів (динас, шамот, корунд і ін.) ця температура не нижче 1580°С.

Міцнісні властивості. У цю групу механічних властивостей входять: міцність, твердість, стиранність і ударна в’язкість матеріалів.

Міцність – це опір матеріалів руйнуванню під дією зовнішніх навантажень. Вона обумовлена взаємодією часток (атомів, чи молекул іонів), що складають матеріали. Фактична міцність матеріалів нижча теоретичної через наявність домішок і дефектів структури.

В залежності від будови й умов випробування руйнування матеріалів може бути крихким чи пластичним. Перше характерно для природних і штучних кам’яних матеріалів, скла, друге – для металів, сплавів, полімерів.

Процес руйнування матеріалу починається з виникнення в ньому мікротріщин, що під дією навантаження розвиваються до критичного розміру, від чого матеріал руйнується. Максимальна напруга, при якій матеріал руйнується під дією зростаючого навантаження, називається межею міцності. При тривалому прикладанні, а також багаторазовому повторенні навантаження, руйнування можливе і при напруженнях, менших межі міцності. Міцність залежить також від температури, характеру середовища і виду напруженого стану (стиску, розтягу, вигину, зрізу, крутіння чи комбінованого впливу). Міцність матеріалів зменшується зі збільшенням їхньої пористості, що приводить до зниження кількості зв’язків між структурними елементами і нерівномірного розподілу навантаження.

У лабораторних умовах міцність визначають руйнуванням контрольних зразків за допомогою гідравлічних пресів, розривних і інших випробувальних машин. Для крихких матеріалів основними міцнісними характеристиками є границя міцності при стиску (R_ст) і при згині (R₃), а для пластичних – при розтягу (R_р). Границю міцності при стиску і розтягу визначають за формулою:

де Р_mах – максимальне навантаження, Н; F₀ – початкова площа поперечного перерізу зразка, м²; α – перевідний коефіцієнт від міцності випробовуваних зразків до міцності зразків стандартної форми і розмірів. Для границі міцності при згині

де М – найбільший згинальний момент, Н·м; W – момент опору перерізу зразка, м³.

Наприклад, при згині балки прямокутного перерізу й одному зосередженому зусиллі

де

– відстань між опорами, м; b і h – ширина і висота поперечного перерізу зразка, м.

Прогресивними способами визначення міцності матеріалів безпосередньо у виробах і конструкціях є неруйнівні способи за допомогою ультразвукових, механічних і інших методів.

Опір матеріалів руйнуванню чи деформуванню в поверхневому шарі при місцевих силових впливах характеризує твердість. Твердість матеріалів можна розглядати як їх міцність при вдавлюванні. Для визначення твердості використовуються методи вдавлювання наконечників різних типів і вимірювання відбитків. Відношення навантаження до площі поверхні відбитку називають числом твердості. Для приблизного визначення твердості гірських порід застосовують метод Мооса, заснований на дряпанні матеріалу еталонним мінералом. Першим у шкалі Мооса стоїть тальк, що має твердість 1, а останнім – алмаз із твердістю 10.

Для ряду матеріалів важливими властивостями є також стиранність і ударна міцність. Стиранність характеризується втратами маси зразка, що віднесені до одиниці поверхні, і визначається на спеціальних приладах, а ударна (динамічна) міцність – роботою, витраченою на руйнування зразка при ударі, тобто при короткочасних навантаженнях високої інтенсивності.

Деформативні властивості. Ця група механічних властивостей характеризує деформації матеріалу, тобто їхню здатність змінювати форму і розміри без зміни маси. Розрізняють пружні, або цілком оборотні, необоротні або пластичні, а також складні пружнопластичні чи пружнов’язкопластичні деформації.

Пружність – властивість матеріалу відновлювати форму й об'єм після припинення дії деформуючих сил. Вона обумовлено прагненням часток, що складають матеріал, повернутися у вихідний стан. Найбільша напруга, при якій практично не виявляються залишкові деформації, називається границею пружності. В області пружних деформацій справедливий закон Гука – деформація матеріалу прямо пропорційна діючому напруженню σ:

де Е – модуль пружності при розтягу (модуль Юнга), що характеризує міцність міжатомних зв’язків у кристалічних ґратках. Модуль пружності зв’язаний з міцністю і твердістю матеріалів і змінюється зі зміною складу, температури й інших факторів.

Для природних і штучних кам’яних матеріалів, скла, металів пружна деформація незначна.

Пластичність – властивість матеріалів змінювати під дією зовнішніх сил, не руйнуючись, свою форму і розміри і зберігати пластичні деформації після зняття навантажень. Пластичні деформації настають при напруженнях, що перевищують границю пружності. Здатність до пластичних деформацій без помітного збільшення навантаження називають текучістю. За певних умов для ряду матеріалів (бетону, металів, кераміки) характерна повзучість – безперервне повільне зростання деформації при постійному навантаженні.

Здатність матеріалів руйнуватися без помітної пластичної деформації називають крихкістю, а їх опір розвитку пластичних деформацій – в’язкістю. Один і той самий матеріал в залежності від вихідних умов: виду напруженого стану, температури, середовища, швидкості деформування – може знаходитися в крихкому чи пластичному стані. Наприклад, багато металів, асфальт і інші матеріали при нормальній температурі - пластичні, а при низькій – крихкі.