Будівельні матеріали, іх властивості

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        Таблиця 3.1,Механічні властивості деяких матеріалів

 

Рис. 3.1. Схеми діаграм деформацій є від напруги ст: а-скла; б-сталі; в-бетону; г-еластоміру.

 

 

 

 

 

 

 

Поряд з модулем пружності за розтягом (модуль Юнга) розрізняють також модуль пружності при зсуві (за коефіцієнтом пропорційності між дотичними напругами і відносним зсувом), модуль об’ємної пружності (в умовах стиску матеріалу з усіх боків одночасно) та ін. Співвідношення значень деформації у поперечному та поздовжньому напрямках у пружно розтягнутому матеріалі називають коефіцієнтом Пуассона.

Експериментальні методи визначення модулів пружності поділяють на статичні й динамічні. При статичних методах зразок матеріалу піддають дії статичних навантажень і вимірюють деформації, що виникають. У поширених динамічних методах зразок випробовують імпульсами високочастотних коливань і модуль пружності визначають за швидкістю розповсюдження пружної хвилі υ_пх що виникає в матеріалі

 

υ_пх=(Е/ρ)^1/2 (3.2)

                де ρ - густина матеріалу.

Застосовують також резонансний метод, заснований на визначенні власної частоти коливань зразка. Якщо зразки виготовлені у вигляді тонких стержнів, то

Е = 4lρ f_n03,  (3.3)

де l - довжина стержня; f_n03 - резонансна частота поздовжніх коливань у матеріалі.

Матеріали, що перебувають під дією зовнішніх сил, здатні до самочинного зменшення внутрішніх напруг без зміни лінійних розмірів. Це явище пояснюється релаксацією - поступовим розсіюванням пружної енергії деформованого під навантаженням матеріалу (рис.3.2) і переходом її в теплоту. Релаксацією пояснюється принципова різниця в механічних властивостях і поведінці під навантаженням твердих та рідких тіл. Для твердих тіл період релаксації, протягом якого пружне напруження спадає до певного значення, дуже великий, а для рідин - навпаки. Період релаксації виражають відношенням в’язкості тіла до модуля пружності Е. Під в’язкістю рідких тіл розуміють опір їх витіканню, а твердих - опір утворенню залишкових деформацій.

Період релаксації визначає тривалість релаксаційних процесів, в результаті яких досягнуте значення напруг зменшується без зміни показника деформації в е = 2,718 разів.

Крім періоду релаксації в розрахунках використовують коефіцієнт релаксації ψ , що показує рівень спадання напруг за певний час,

                 ψ = σ_τ / σ ₀, (3.4)

де σ_τ - напруга в момент часу т при сталій деформації; - початкова напруга.

Якщо тривалість дії деформуючої сили на рідину значно менша від періоду релаксації, то протягом дії цієї сили рідина поводить себе як пружне тверде тіло. Можна б було, наприклад, сміло ходити по воді, якби тривалість кожного зробленого кроку не перевищувала 10'¹³ с, що відповідає періоду релаксації для води.

Для в’язких рідин (наприклад, асфальтів) період релаксації збільшується із зниженням температури. Тому взимку асфальт є досить твердим тілом і на ньому важко залишити слід, а влітку, коли в’язкість асфальту зменшується, під дією сили ваги протягом досить короткого часу в асфальті залишаються сліди, спричинені виникненням залишкових деформацій. До дуже в’язких рідин належить і віконне скло при кімнатних температурах, яке під навантаженням поводить себе як ідеально пружне тіло аж до самого моменту розриву. Тільки після значного підвищення температури в’язкість скла зменшується настільки, що стає спів розмірною з в'язкістю рідин, і скло починає поводити себе як рідина.

Внаслідок кристалічної будови різні матеріали мають різні періоди релаксації. Під час релаксації зміна структури приводить до перетворення пружних деформацій у пластичні при збереженні сумарної деформації.

     Пластичність - це властивість матеріалів, протилежна пружності. Вона означає здатність матеріалів під впливом навантажень змінювати без руйнування форму й розміри і зберігати їх після зняття навантаження. Пластичність - найважливіша властивість, що визначає технологічність процесу формування матеріалів. Характерним прикладом пластичних матеріалів є висококонцентровані суспензії вапна, цементу, гіпсу, глини та інших мінеральних речовин у воді. Ці матеріали широко застосовують для виготовлення будівельних виробів. Пластичність суспензій багатьох мінеральних сполук тісно пов’язана з властивостями, які проявляють тонкі шари води на поверхні частинок дисперсної фази..

Пластичні деформації кристалічних матеріалів спричинені зсувом всередині кристалів, коли одна частина кристалу переміщується відносно іншої . Форма кристалів при цьому змінюється, видовжуючись у певному напрямку. Пластичні зсуви кристалів зумовлені переміщенням дислокацій.

З підвищенням температури пластичність матеріалів зростає. Зростає вона також зі зменшенням швидкості деформування, з переходом від ковалентного до металевого зв’язку. В міру навантаження для пластичних матеріалів настає період, коли пластичні деформації продовжують розвиватися, незважаючи на незмінне напруження. Найменші напруження, при яких матеріал деформується без помітного зростання навантажень називають границею текучості (рис.3.3). Текучість - важлива особливість структурованих дисперсних систем (цементного тіста, бетонної суміші, бітумів тощо).

Для твердих матеріалів важливою механічною властивістю є повзучість - повільне зростання протягом часу пластичних деформацій матеріалів при силових навантаженнях, менших, ніж ті, що можуть спричинити залишкову деформацію при випробуваннях звичайної тривалості (рис.3.4).

Швидкість повзучості різко зменшується зі зниженням температури та зменшенням напружень. Деформація повзучості матеріалів у багатьох випадках небажана, оскільки вона може призвести, наприклад, до виникнення збільшених прогинів. Проектуючи конструкції це треба враховувати. Відмінність між повзучістю та релаксацією напружень полягає в тому, що при повзучості змінюється деформація, а напруження або навантаження сталі, тоді як при релаксації зменшується напруження, а сумарна деформація залишається сталою. При цьому вирішальне значення має тривалість навантаження матеріалу. Повзучість може протікати одночасно з релаксацією. Вона характеризується границею повзучості - показником максимальних тривалодіючих напружень, при яких її швидкість наближається до нуля (у практичних вимірюваннях - не перебільшує деяких допустимих значень).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Деформації повзучості супроводжуються змінами структури матеріалів - подрібнюються зерна, перерозподіляються домішки, відбувається рекристалізація (утворення та ріст нових зерен), виділення нових фаз. В результаті в матеріалах накопичуються дефекти у вигляді пор і тріщин. Швидкість повзучості різко зменшується зі зниженням температури та напруження. Більшість матеріалів (за винятком бетонів, ґрунтів, деяких металів) при кімнатній температурі практично не зазнають повзучості. Механізм повзучості складний. Для більшості матеріалів він пов’язаний з ковзанням дислокацій, дифузійними переміщеннями атомів та в’язкою текучістю.

Усадка - зменшення лінійних розмірів та об’єму матеріалів, спричинена зменшенням, головним чином, їх вологовмісту, а також пористості. Типова крива швидкості сушіння матеріалів має два періоди - сталої швидкості, яка відповідає вилученню вологи з макропор і макрокапілярів, та падаючої швидкості, що відповідає вилученню вологи з перехідних мікрокапілярів. Деякі матеріали (зокрема глина) дають усадку в період сталої швидкості сушіння, усадка припиняється при досягненні деякого рівня критичної вологості. Інші матеріали (деревина, цементний камінь) дають усадку тільки в періоді падаючої швидкості сушіння, тобто після досягнення рівня критичної вологості.

При порівняно невеликому градієнті вологовмісту всередині матеріалу зміну лінійних розмірів матеріалу ӏ при зменшенні вологовмісту ω описують лінійною залежністю:

                                             ӏ= ӏ₀ (1+β_t ω) ,(3.5)

де ӏ₀ - розмір абсолютно сухого матеріалу; β_t - коефіцієнт, що характеризує інтенсивність усадки, %.

При нерівномірному розподілі вологовмісту й температури в матеріалі розвивається об’ємно напружений стан, тому можуть з’явитися тріщини і навіть відбутися повне його руйнування.

Усадка часто супроводжується коробленням матеріалу, коли разом з деформаціями об’єму відбуваються і деформації форми. Коробленню підлягають більш сухі поверхні, тому аби зменшити його, потрібно забезпечити відповідну швидкість виведення вологи з усіх поверхонь.

Щоб зменшити усадку та запобігти тріщино утворенню, підбирають склад матеріалів (наприклад, добавляють до глини пісок та інші домішки), застосовують вологий режим тверднення, а також спеціальне покриття, які сповільнюють швидке висихання.

Усадка керамічних матеріалів відбувається не тільки в процесі їх сушіння, а й випалювання, усадка матеріалів та сплавів виникає під час кристалізації та охолодження. Залежно від розмірів частинок і розподілу їх за розмірами, властивостей сировини та способу формування відформовані керамічні вироби містять до 50 об’ємних відсотків пор. У процесі випалювання об’ємна усадка дорівнює зменшенню об’єму пор. Усадка при випалюванні може бути значно знижена введенням в основну масу матеріалів, що не зазнають усадки.

Важливі показники деформативних властивостей матеріалів (границі пружності та текучості, модуль пружності, відносне видовження і звуження після розриву, питома робота деформації до руйнування тощо) визначаються при випробуванні на розтягання (в окремих випадках на стискання і згинання), побудовою діаграм напруження - деформації (див. рис.3.3). Навантаження створюють на випробувальних машинах з механічним або гідравлічним приводами. Для вимірювання навантажень використовують динамометри, а для вимірювання деформацій - тензометричні датчики, які працюють за принципом перетворення механічних сигналів в електричні.

Реологічні властивості. Завдання реології полягає у відшуканні зв’язків між напругами з одного боку і деформаціями з другого, які виникають у структурованих системах у певний момент часу. В таких системах характерним є розвиток пружно-пластичних властивостей, пов’язаних з утворенням структури і можливістю фазових переходів з рідкого стану в твердий. Прикладами структурованих систем є цементне тісто, бітумні мастики, розчини полімерів та інші матеріали. Частинки дисперсної фази в таких системах перебувають під дією міжмолекулярних сил, утворюючи суцільну просторову сітку.

За М В.Михайловим і П.О.Ребіндером усі дисперсні системи поділяють на дві основні групи - рідино- і твердоподібні. До рідиноподібних належать справжньов’язкі (ньютонівські) й структуровані (неньютонівські) рідини. Твердоподібні системи подані як пружно-крихкими, так і пружно-пластичними тілами.

Для перемішування будь-якої рідини потрібно витратити певну кількість енергії на подолання сил внутрішнього тертя або в’язкості. Закони внутрішнього тертя вперше сформулював Ньютон для однорідних гомогенних рідин. Значення в’язкості ɳ для ньютонівських рідин (рис.3.5) не залежить від напруження зсуву σ і градієнта швидкості .

                                          σ = ɳdυ/dl          , (3.6)

де dυ - зміна швидкості шарового потоку; dl - відстань між шарами.

Для структурованих дисперсних систем в’язкість може змінюватись у широких межах залежно від зсувного напруження і градієнта швидкості (рис.3.6). 

                                                                 

 Рис. 3.6. Зміна в’язкопластичних властивостей структуровених рідин від напруги зсуву:

а-етруктурна в’язкість: б-швидкість деформації течії                                        

 

                                                 

На відміну від ньютонівських структуровані рідини характеризуються не динамічною в’язкістю, а ефективною або структурною в’язкістю.

Текучість структурованих рідин (пластичних) настає в момент, коли зсувні напруження перевищують деякі напруження ст₀, які називають границею текучості

       σ -σ ₀ = ɳdυ/dl   , (3.7)

Якщо напруження менші за границю текучості, то структурована рідина поводить себе як пружне тверде тіло. Для рідиноподібних структур характерне поступове зменшення в’язкості в міру зростання зсувного напруження.

Для твердоподібних тіл при напруженнях, нижчих за границю плинності виявляється повільна плинність, або повзучість. Підвищення зсувних напружень до показника границі плинності призводять до стрибкоподібного зменшення в’язкості, що вказує на лавиноподібне руйнування структури. При повному руйнуванні структури в’язкість стає мінімальною г)_м і знову не залежить від зсувних напружень. Так, для 10%-ної водної суспензії бентонітової глини найбільша в’язкість практично незруйнованої структури становить ɳ₀= 10⁶ Н-с/м², а найменша в’язкість гранично зруйнованої структури ɳ_m = 0,01 Н-с/м².

Твердоподібність тіла і наявність у ньому просторової сітки виражені тим сильніше, чим більша різниця між ɳ₀ і ɳ_m й чим вища границя плинності, яка характеризує міцність структури. Для пластичних матеріалів границя плинності явно виражена і її підвищення спричинює різке зменшення ефективної в’язкості. Такі матеріали, як глиняне тісто, при напруженнях, вищих від границі плинності, здатні зберігати будь-яку форму і як завгодно довго. За рахунок зменшення різниці ɳ₀ - ɳ_m й зниження границі плинності можна здійснити безперервний перехід твердоподібних тіл до рідиноподібних. Прикладом такого переходу від пружно-крихких тіл до пластичних, а потім до структурованих і реальних рідин з підвищенням температури може бути бітум.