Будівельні матеріали, іх властивості

Зміна ефективної в’язкості матеріалів, що характеризується ступенем руйнування структури залежно від інтенсивності механічних дій в усьому можливому діапазоні можна простежити за допомогою певної реологічної кривої. Наприклад, для пластичних матеріалів, які зі зростанням зсуву різко змінюють ефективну в’язкість, повна реологічна крива може описуватися рівнянням Шведова - Бінгама

σ = σ ₀ + ɳ_m dυ/dl   . (3.8)

Для багатокомпонентних систем реологічні рівняння досить складні й тому використовують ідеалізовані моделі в’язких, пружних та пластичних тіл та їх сукупностей.

Вивчення реологічних властивостей матеріалів дає змогу науково обґрунтовано вибирати оптимальні параметри технологічного впливу на них. Зокрема, властивість таких структурованих систем, як бетонні суміші під впливом механічних збудників - вібрації, струшування тощо, змінювати реологічні характеристики широко використовується в технології виготовлення бетонних виробів на стадії формування.

Для вивчення реологічних властивостей матеріалів найпоширеніші прилади засновані на:

1) визначенні швидкості витікання крізь капіляри, трубки або отвори певної форми й розміру (капілярні, щілинні та інші віскозиметри);

2. вимірюванні глибини проникнення в досліджуване середовище конуса або іншого тіла (конічний пластомір МДУ та ін.);
3. визначенні швидкості занурення або спливання кульки певної маси і розмірів (прилад Десова та ін.);
4. вимірюванні зусиль висмикування із в’язко-пластичних тіл рифлених пластинок, стержнів або циліндрів;
5. вимірюванні частоти й потрібних зусиль обертання внутрішнього або зовнішнього коаксіальних (співвісних) циліндрів, між якими міститься досліджуване тіло (ротаційні віскозиметри). 

     Міцність. Завершальною стадією силового впливу на матеріал є його руйнування. Здатність матеріалів чинити опір руйнуванню називається міцністю.

Розрахунки на міцність елементів конструкцій, що перебувають у складному напруженому стані, ґрунтуються на певному критерії. Основні механічні теорії міцності: теорія максимальних нормальних напружень (Галілея), відповідно до якої небезпечний стан визначається найбільшим нормальним напруженням в конструкції; теорія максимальних дотичних напружень (Кулона); теорія Губера - Мізеса - Генкі,за якою небезпечний стан конструкції настає в момент, коли в матеріалі досягається певний рівень пружної енергії, яка витрачається на зміну форми. Перші дві теорії використовують для розрахунків на міцність конструкцій із крихких матеріалів, а третю й четверту - для пластичних.

Міцність характеризується критичним напруженням, коли порушується суцільність матеріалу. Це напруження називається границею м і ц н о с т і . Її визначають, як правило, дією на матеріал статичного навантаження, що зростає з певною швидкістю протягом кількох хвилин. Зміна швидкості зростання навантаження й характеру його прикладання (наприклад, повторнозмінне або динамічне навантаження) приводить до зміни міцності. Вона може суттєво змінитися залежно від виду напруженого стану (розтягу, стиску, згину, кручення тощо).

Границю міцності матеріалів визначають на стандартних зразках - циліндричних, кубічних та іншої форми .

З усіх способів механічних випробувань найпоширеніші розтяг і стиск. їх виконують за допомогою спеціальних розривних машин та пресів (рис.3.7). Границю міцності R під час розтягу R_p і стиску Rc визначають за формулою, МПа:

R_p(c) = kP / F, (3.9)

де k - коефіцієнт, що враховує розміри зразка, його вологість тощо; Р - руйнівна сила; F - початкова площа поперечного перерізу зразка.

Г'раниця міцності при згині:

R₃= M₃ / M₀, (3.10)

де М₃ - найбільший згинальний момент; М₀ - момент опору перерізу зразка.

При згинанні зразка, наприклад, прямокутного перерізу під дією зосередженої сили

R₃ = 3Pl²/bh², (3.11)

де l- відстань між опорами, м; b, h - відповідно ширина й висота перерізу зразка, м.

Теоретична міцність однорідного матеріалу R_T характеризується максимальним напруженням, необхідним для розділення двох шарів атомів. Вона пропорційна модулю пружності Е та поверхневій енергії твердого тіла σ_п і обернено пропорційна міжатомній відстані :

(3.12)

Міцність реальних твердих тіл у сотні й тисячі разів менша за теоретичну. Так, для кристалів NaCI теоретичне значення міцності на розрив становить 2*10³ МПа, а для металів - 10⁴...10⁵ МПа. Однак експериментально визначена міцність для NaCI не перевищує 5 МПа, а для металів - 10²...10’ МПа. Такі розбіжності теоретичної та реальної міцності матеріалів зумовлені тим, шо у твердих тілах є різні дефекти структури, насамперед мікротріщини. За теорією Гриффітса, напруження в матеріалі на кінці тріщини

σтах =2σ_сер (3.13)

де σ_сер - середнє напруження в матеріалі; l- довжина тріщини; r = (I...4)10'^s см - радіус кривизни на кінчику тріщини (беруть сумірним кільком атомам). Якщо l ≈ 10’² см, то отримаємо σ_сер ≈  2σ_тах-10"³,

За статистичною теорією міцності крихких тіл Вейбулла ймовірність знаходження найнебезпечніших тріщин зростає при збільшенні об’єму зразка. Оскільки міцність залежить від ймовірності розташування тріщин у зразку, вона має статистичний характер.

Процеси руйнування матеріалів головним чином зводяться до поступового зростання деформацій, утворення тріщик і накопичення локальних дефектів.

Розрізняють крихке й пластичне руйнування матеріалів. Особливістю крихкого руйнування, що характерне для бетону, кераміки, скла, природних каменів та інших будівельних матеріалів є те, що не відбувається помітної пластичної деформації. Механічні напруження, які при цьому виникають, не встигають релаксувати, тому тріщини, що утворюються в площині, перпендикулярній до дії напружень, швидко розвиваються. Міцність поділяють на короткочасну, втомну і тривалу. Крихкому руйнуванню сприяють циклічні навантаження (вібраційні, ударні тощо), при яких спостерігається втома матеріалів, пов’язана з накопиченням пошкоджень, виникненням мікро-, а потім і макротріщин. Підвищенню крихкості матеріалів сприяє також зниження температури, збільшення швидкості деформування, наявність поверхнево-активного середовища. Швидкість механічного руйнування навантаженого твердого тіла залежить від напружень, спричинених навантаженням і температурою.

 

 

 

 

 

 

 

 

Для багатьох матеріалів (металів, полімерних матеріалів, скла тощо) характерна така залежність міцності від часу:

                        τ = А₀ ехр(-ασ), (3.14)

де τ - час від моменту прикладання сталого механічного навантаження до руйнування зразка: А₀, α - сталі коефіцієнти, що визначаються властивостями матеріалу й температурою; σ - напруження.

Поряд із загальною пористістю (рис. 3.8) на міцність впливає і розмір пор. Крупніші пори більш різкo знижують міцність, ніж дрібні. Численні дослідні дані підтверджують, що міцність дрібнозернистих матеріалів однакової пористості вища, ніж крупнозернистих.

Міцність матеріалів може вимірюватися не тільки прямим методом, тобто руйнуванням зразка, а й безруйнівними методами, які грун- туються на взаємозв’язку міцності з певною властивістю твердих тіл, зокрема, швидкістю поширення ультразвукових хвиль у твердому тілі, твердістю поверхні матеріалу (рис.3.9)

d5

Рис. 3.9. Графіки залежності міцності бетону:

а- відношення діаметра відбитка стальної кульки на бетоні α_δ і

на еталоні α_с: б-від швидкості походження ультрозвукових хвиль.

 

До різновидів міцності належать адгезія і когезія. Адгезією називають зумовлене міжатомними силами притягування, зчеплення (прилипання) двох різнорідних твердих або рідких тіл, що контактують. Зчеплення частинок всередині тіла або між однорідними за хімічним складом тілами називається когезією. Кількісною мірою адгезії та когезії є питома робота, витрачена на розділ тіл, віднесена до одиниці площі контакту. У системах, де немає хімічного міжфазового зв’язку, адгезія зумовлена головним чином ван-дер-вальсівськими силами (міжмолекулярними), які залежать від електричної природи тіл і взаємодії утворюваних ними електричних полів. Чим полярніші речовини, тим більше значення електростатичних сил і, отже, більша адгезійна взаємодія.

Хорошими клеями, що повною мірою виявляють когезійні та ад- гезійні властивості, є. Наприклад, полімери, які містять гідроксильні

(ОН), карбоксильні (COOH), амідні (NHCO), амінні (NH2) та інші полярні групи.

Розрив по контактній поверхні двох твердих тіл можливий тільки тоді, коли адгезійні сили набагато менші від когезійної взаємодії кожного з них. Часто розрив має змішаний адгезійно-когезійний характер.

У разі контакту твердого й рідкого матеріалів адгезійна взаємодія стає значно сильнішою, ніж при контакті двох твердих тіл, особливо за умови доброго змочування рідиною поверхні твердого тіла. Повнота змочування залежить від в’язкості рідкої фази, тиску і властивостей твердої поверхні. Змочуванню сприяє наявність у твердій поверхні заглиблень, особливо конічної або призматичної форми.

Адгезія має велике значення при клеєнні, нанесенні покриттів, а також зварюванні, лудінні й паянні матеріалів.

Окремим видом міцності єтвердість (міцність при вдавлюванні) - опір матеріалу руйнуванню жорсткою силою. Як й інші види міцності, твердість - це структурно чутлива властивість, вона залежить також від виду обробки поверхні, температури та інших факторів.

Твердість вимірюється натисканням на поверхню випробуваного матеріалу або переміщенням по ній під навантаженням наконечників, що мають сферичну, конічну або іншу форму. Мірою, або числом, твердості при цьому є відношення навантаження до площі поверхні відбитка. За методом Брінелля твердість дорівнює:

HB = 2P/(πD (d- )), (3.15)

де Р - навантаження: D - діаметр сферичного індентора (кульки діаметром 10; 5 або 2.5мм); d - діаметр відбитка.

Визначаючи твердість за Роквеллом, у поверхню матеріалу вдавлюють алмазний конус із кутом біля вершини 120° (шкали А і С) або

сталеву кульку діаметром 1,587 мм (шкала В). Одиниця твердості за Роквеллом - безрозмірна величина, яка відповідає переміщенню індентора по осі на 0,002 мм.

Твердість за Вікерсом визначається вдавлюванням у зразок алмазного наконечника у вигляді правильної чотирикутної піраміди під дією навантаження Р і вимірюванням діагоналі відбитка

                       HV = 0,189Р / d², (3.16)

Для тонких покриттів, окремих структурних складових сплавів визначають мікротвердість, вдавлюючи алмазну піраміду на ділянці, площа якої на декілька порядків менша, ніж при звичайних випробуваннях.

Поряд з методами вимірювання твердості за допомогою статичного навантаження застосовують динамічні методи, коли індикатор передає на поверхню ударне навантаження, падаючи з деякої висоти.

Для приблизного визначення твердості порід та інших крихких матеріалів використовують метод Мооса, який полягає у дряпанні поверхні досліджуваного матеріалу за допомогою еталонного мінералу. При цьому твердість вимірюється в умовних одиницях, які відповідають номеру матеріалу за десятибальною шкалою: тальк - 1; гіпс - 2; кальцит - 3: флюорит - 4: апатит - 5; ортоклаз - 6; кварц - 7; топаз - 8; корунд - 9; алмаз - 10.

Твердість деяких однорідних матеріалів пропорційна міцності на розтяг і стиск, що дає змогу використовувати цю властивість для без- руйнівних методів механічних випробувань.

Для більшості будівельних матеріалів (за винятком пластмас) із твердістю пов'язаний їх опір стиральним діям - стиранню. Його вимірюють за відношенням зменшення маси матеріалу Am після проведення досліду до площі стирання F:

С = Δm / F (3.17)

Високу стійкість до стирання мають деякі гірські породи, кам’яне лиття, керамічні матеріали й пластмаси. Наприклад, стирання кварциту становить 0,06...0.12 г/см². керамічних плиток для підлоги - 0,08, одношарового полівінілхлоридного лінолеуму - 0,06 г/см². Для деяких дорожньо-будівельних матеріалів встановлюють марки за стиранням, які пов’язанні з максимально допустимими втратами маси під час стирання у відсотках. Так, для щебеню і гравію марки за стиранням И1, И2, ИЗ і И4 при втратах маси відповідно до 25%, 25-35, 35-45, 45-60%. визначають стирання на спеціальних машинах - кругах стирання або поличних барабанах, де матеріал руйнується в результаті інтенсивного тертя.

Опір матеріалів руйнуванню під час прикладання  ударного навантаження називається ударною міцністю, або в’язкістю, а під час одночасної дії стирання і удару - спрацюванням. Ударна міцність оцінюється за величиною роботи руйнування зразків за допомогою копрів, а спрацювання - за втратами маси в барабанах, заповнених сталевими кулями.

2 Фізичні властивості

Фізичні властивості  характеризуються параметрами стану  матеріалів або відношенням їх до дії фізичних факторів: води, температури, електричного струму, магнітного поля тощо.

Параметри стану. Найважливішими фізичними параметрами стану матеріалів є густина і пористість.

Густина визначається відношенням маси матеріалу до його об'єму. Для будівельних матеріалів розрізняють істинну ρ і середню ρ₀ густину. Істинна густина (або просто густина) характеризує масу m матеріалу в одиниці об'єму без пор та порожнин матеріалу V, а середня

• з пустотами й порами V₁ :

ρ = m/V, (3.18)

ρ₀ = m/V₁, (3.19)

До сипких матеріалів поряд із середньою густиною зерен  визначають насипну густину, яка враховує міжзернову порожнистість.