Механические свойства строительных материалов

. контакты 8 929 943 69 68 http://vk.com/club23595476 .

Механические свойства строительных материалов

Механические свойства строительных материалов – способность материалов сопротивляться разрушению или изменению форм и размеров от внутренних напряжений, возникающих под действием внешних статических или динамических усилий. Образующиеся напряжения стремятся разорвать внутренние силы связи между атомами или ионами. Материал деформируется, возникают упругие и пластические деформации.

Следует различать абсолютные деформации (?), измеряемые в линейных величинах, и относительные деформации (?), которые представляют собой отношение абсолютных деформаций к первоначальной длине исследуемого участка

? = l2l1, (63)

где l2 и l1 – соответственно длина исследуемого участка после и до нагружения, мм.

? = (l2l1)/l1, мм/мм. (64)

При достижении предельных напряжений происходит разрушение; величина предельных напряжений характеризует предел прочности материала. Характер деформации и разрушения зависит от влажности, формы и размеров образца, направления и скорости нагрузки, структуры и характера поверхности.

Предел прочности – условная характеристика

и она может меняться с изменением условий опыта. Испытание образцов стандартных размеров дает информацию о марке материала по прочности.

В зависимости от вида материала и действующей нагрузки, определяют следующие прочностные характеристики:

предел прочности при сжатии Rсж

(бетоны, растворы, природный камень, древесина, кирпич, минеральные вяжущие вещества);

предел прочности при изгибе Rизг (бетоны, растворы, древесина, кирпич, минеральные вяжущие вещества);

предел прочности при растяжении Rраст (бетоны, металлы).

Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. При этом хрупкость определяют, как способность материалов разрушаться «мгновенно», без появления пластических деформаций. Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке. Трещина вызывает концентрацию напряжений около ее вершины. Хрупкость материала можно определить сравниванием величин Rсж и Rизг . При разнице в один или более порядков можно отнести данный материал к хрупким.

Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация.


Прочность поверхностного слоя материала (твердость)

– способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Для металлов и пластмасс оценка производится по вдавливанию стального шарика, конуса или призмы в поверхность, для каменных материалов определение производится по шкале Мооса.

Твердость не всегда соответствует прочности, однако, от твердости материала пропорционально зависит его прочность при истирании (истираемость).

Истираемость

способность материала сопротивляться нагрузкам, действующим по касательной к поверхности и вызывающим постепенное уменьшение массы за счет отрыва мелких частиц с поверхности

И = (m1m2)/Sо, (г/см2), (65)

где m1 – масса материала до истирания, г; m2 – масса материала после истирания, г; Sо – площадь материала, см3.

Истираемость чаще всего определяется по потере массы материалом после 1000 оборотов полочного барабана.

Способность материала противостоять ударам, не давая трещин, характеризуется ударной прочностью (сопротивлением удару). Оценивается количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала (Дж/м3). Испытание производится на копре.

Сопротивление износу (износостойкость) –

способность материала сопротивляться совместному действию ударных и истирающих усилий

Износ = [(m1m2)/ m1] ·100 %, (66)

где m1 и m2 – массы материала до испытания и после испытания на износостойкость, г.

Коэффициент конструктивного качества (К.К.К.) характеризует степень выполнения материалом конструктивных требований

К.К.К. = Rсж /??, МПа/г/см3. (67)

К.К.К. изменяется в больших пределах (кирпич 5…10, сталь 40…50, древесина 60..70, пластмасса 50…250).

Большинство искусственных материалов при их получении и применении находятся в вязкопластичном состоянии. Вязкопластичное состояние занимает промежуточное положение между жидкими и твердыми телами, и могут совмещать в себе свойства твердого тела и жидкости.

Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности от механического воздействия и

сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекращено. При этом ускоряются и удешевляются процессы перемешивания и формования, повышается однородность готовых изделий, улучшаются физико-механические свойства и стойкость.

Способность материалов образовывать с водой пластичное тесто, обусловлено наличием промежуточной фазы, составленной полутвердыми водными оболочками, выполняющими двойную функцию:

придают системе известную устойчивость, т.е. способность материалов сопротивляться нагрузкам, не нарушая свою сплошность и не утрачивая формы;

– обладают «смазочным» эффектом, облегчая скольжение твердых частиц при деформациях системы.

Вязкость – способность материала за счет сил внутреннего трения препятствовать течению, вызванному внешними силами.

Определение пластичности и вязкости производится с помощью следующих методов:

методы, основанные на проникании индентора правильной геометрической формы в материал (игла и пестик прибора Вика для определения свойств минеральных вяжущих веществ, игла пенетрометра для определения свойств органических вяжущих веществ, конус для определения свойств растворных смесей);

методы, основанные на определении величины расплыва массы правильной геометрической формы (вискозиметр Суттарда для определения свойств вяжущих веществ, усеченный конус для определения свойств бетонных смесей);

методы, основанные на определении скорости истечения испытываемой массы через капилляр заданного размера для определения свойств лакокрасочных составов.

Регулировать вязкопластичное состояние материала можно применением поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые понижают поверхностное натяжение у границы раздела фаз.

Гидрофобизирующие ПАВ – это углеводороды с молекулами значительной длины, обладающие большой молекулярной энергией, типа С2Н2n-1COOH, где n равно 12…20 (олеиновая кислота, мылонафт). Гидрофильные части молекул такого типа ПАВ ориентируются на гидрофильной поверхности зерен вяжущего, а гидрофобные радикалы образуют «частокол» вокруг частиц (рис. 13).

Рис. 13. Схема ориентации молекул гидрофобизирующих ПАВ на зерне вяжущего вещества (А): а) неполярный гидрофобный слой; b) полярный гидрофильный слой

Такие молекулярные пленки ухудшают смачиваемость частиц водой, что позволяет уменьшить количество воды в смеси при сохранении ее подвижности. При наличии касательных сдвиговых усилий они служат плоскостями скольжения между частицами и пластифицируют смесь. Следует учитывать, что присутствие такого типа ПАВ в тесте вяжущего вещества ограничивает процессы гидратации в начальный период и замедляет схватывание вяжущего теста. Гидрофобизирующие ПАВ вводят в количестве 0,06…0,20 % от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки.

Гидрофилизирующие поверхностно-активные вещества – это углеводороды с молекулами небольшой длины и меньшей величиной молекулярной энергии. Представителем этого типа ПАВ являются кальциевые соли лигносульфоновой кислоты, в частности, лигносульфонат кальция (ЛСТ). За счет сравнительно малой длины молекул этого типа ПАВ строгой их ориентации в адсорбционных слоях на частицах вяжущего ожидать нельзя. Гидрофильные части молекул могут быть обращены как в сторону твердой фазы, так и в противоположную сторону (рис. 14), и тем самым притягивать подобные им молекулы воды.

Рис. 14. Схема ориентации молекул гидрофилизирующих ПАВ (а)

на зерне вяжущего вещества (А)

Таким образом, вокруг зерен вяжущего вещества образуются адсорбционные слои молекул ПАВ и достаточно толстые слои молекул воды, снижающие внутреннее трение в смеси и играющие роль гидродинамической смазки. Вследствие этого, а также благодаря физической адсорбции молекул ПАВ в устьях микротрещин зерен вяжущего и сглаживанию шероховатостей микрорельефа зерен, смесь пластифицируется и возможно снижение ее водопотребности. Гидрофилизирующие ПАВ вводят в количестве 0,15…0,30 % от массы вяжущего вещества в расчете на сухое вещество добавки. Они также замедляют схватывание и твердение вяжущих веществ за счет экранирующего эффекта.

Воздухововлекающие поверхностно-активные вещества – это углеводороды, уменьшающие силы поверхностного натяжения воды, что способствует вовлечению пузырьков воздуха при перемешивании смеси. Они представляют собой систему «эмульсия в воде» и при перемешивании образуют пену, вовлекая воздух в мелкопористом состоянии (рис. 15.). Воздухововлекающим ПАВ является, например, натриевая соль абиетиновой кислоты – смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ). Вовлеченный в смесь воздух (6…10 % от общего объема смеси) увеличивает ее объем, повышает пластичность за счет создания дополнительной поверхности раздела фаз с малым внутренним трением. Воздушные микропоры, образующиеся за счет воздухововлекающих ПАВ в камне минерального вяжущего вещества, замкнуты, равномерно распределены и, играя роль своеобразных демпферов, могут существенно повысить морозостойкость искусственного камня.

а) б)

Рис. 15. Схема строения эмульсии: а) масло в воде; б) вода в масле; 1 – внешняя фаза; 2 – внутренняя фаза

Комплексные поверхностно-активные вещества представляют собой комплексы добавок различного типа: гидрофобно-пластифицирующих, гидрофобно-воздухововлекающих и т.п. Они обладают полифункциональным действием и целесообразны еще и потому, что появляется возможность получать водоразбавленные продукты в виде эмульсий гидрофобизаторов в водных растворах гидрофильных добавок, тогда как многие из технических гидрофобных ПАВ (мылонафт, асидол, олеиновая кислота) в воде нерастворимы.

Благодаря пластифицирующему действию добавок происходит: снижение трудоемкости при укладке смесей; снижение расхода связующего вещества; повышение морозостойкости; повышение коррозионной стойкости и долговечности.

http://vk.com/club23595476
. контакты http://vk.com/club23595476 .