Архитектурное материаловедение

Н.Ф.Манжес

АРХИТЕКТУРНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Конспект лекций

по дисциплине

для студентов среднего профессионального образования специальности 07.02.01 Архитектура

 

Новочеркасск

ББК 38.3

М 23

 

Конспект лекций рассмотрен и рекомендован к изданию в качестве учебного пособия методическим советом ГБПОУ РО «ДСК» протокол от 28.08.2014 № 2

Одобрено соответствие содержания требованиям ФГОС постановлением цикловой методической комиссией (ЦМК) колледжа «Архитектурно-строительного профиля», в протоколе от 13.10.2014 г. № 3. Председатель ЦМК – Е.В. Иванова.

Рецензенты:

БИРЮКОВ Валентин Васильевич, директор ООО «Альфа-Монолит»

Иванова Евгения Викторовна, преподаватель ГБПОУ РО «ДСК»

 

Манжес Н.Ф.

М23

Архитектурное материаловедение [Текст]: учебное пособие для студентов и преподавателей СПО специальности 07.02.01 Архитектура, / Н.Ф. Манжес. – Новочеркасск: ГБПОУ РО «ДСК», 2015. - 160[3] с.

ББК 38.3

 

Конспект лекций составлен в помощь обучающимся СПО по специальности 07.02.01 Архитектура, для освоения теоретического курса дисциплины «Архитектурно материаловедение». Данное методическое пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС СПО 3-го поколения для студентов среднего профессионального образования по специальности 07.02.01 Архитектура.

Пособие содержит описание основных видов архитектурных материалов, их технические свойства и классификацию по областям использования материалов в различных условиях эксплуатации.

Конспект лекций предназначен, как для аудиторного использования во время занятий, так и для самостоятельной подготовки студентов к текущему контролю и итоговой аттестации.

 

ЗарегистрированО в качестве методического пособия методическим кабинетом ГБПОУ РО «ДСК» под № 0х от 13.01.2015 г.

© ГБПОУ РО «ДСК», 2015 © Манжес Н.Ф., 2015

Содержание

Введение..............................................................
Раздел 1. Основы архитектурного материаловедения......................
Тема 1.1. Классификация строительных материалов...........................
Тема 1.2. Свойства материалов и изделий.......................................
Тема 1.3. Понятие о стандартизации строительных материалов....................
Раздел 2. Природные материалы.......................................
Тема 2.1. Древесина и материалы из неё.......................................
Тема 2.2. Природные каменные материалы.....................................
Раздел 3. Материалы и изделия, получаемые спеканием и плавлением..........
Тема3.1.Керамические материалы ............................................
Тема3. 2. Строительные материалы и изделия из силикатных расплавов.............
Тема3. 3. Металлические материалы и изделия
Раздел 4. Вяжущие материалы..............................................
Тема4.1.Минеральные вяжущие вещества.....................................
Тема 4.2 Воздушные вяжущие вещества.......................................
Тема 4.3 Гидравлические вяжущие.............................................
Тема 4..4. Специальные вяжущие..............................................
Раздел 5. Материалы на основе вяжущих веществ.............................
Тема 5.1 Строительные растворы............................................
Тема5.2 Бетоны...........................................................
Тема5.3 Железобетон (сборный и монолитный).................................
Раздел 6. Полимерные материалы и изделия.................................
Тема 6.1.Общие сведения о полимерах.......................................
Тема 6.2. Основы технологии пластмасс.......................................
Тема 6. 3. Основные виды строительных пластмасс..............................
Раздел 7. Материалы специального назначения...............................
Тема7.1. Кровельные, гидроизоляционные и герметизирующие материалы..........
Тема7.2. Теплоизоляционные и акустические материалы и изделия.................
Тема7.3. Лакокрасочные материалы...........................................
Литература.................................................

ВВЕДЕНИЕ

Строительные материалы непосредственно влияют на восприятие архитектурного образа объекта, на его качество и экономические требования. Архитектор должен понимать, что строительные материалы выполняют комплекс функций, связанных с технологией строительных работ, эксплуатацией и композиционным строением здания, а также его стоимостью, включая цены и затраты на применение и эксплуатацию. Работа с материалами предполагает учёт действующих архитектурно-строительных норм и правил, а также природных и социальных факторов.

Материал играет важную роль в формировании пропорционального, масштабного и ритмического строя сооружения, его тектоники и, в конечном счёте, композиции в целом. Глубокая и разносторонняя взаимосвязь зодчества с материалом основывается на том факте, что именно он является средством организации пространства жизнедеятельности, а следовательно, участвует в создании архитектуры.

Современному архитектору недостаточно знать, из каких материалов можно осуществить его проект. В настоящее время, когда материальная база весьма представительна, здания и сооружения можно строить из многих взаимозаменяемых материалов. При этом условия жизни, в том числе работы, человека могут быть одинаковыми с эксплуатационно-технической точки зрения. Но, в зависимости от вида материала, восприятие среды, эстетики зданий и сооружений будет заметно иным.

В архитектурно-строительной практике много примеров применения материалов, искажающих первоначальный творческий замысел архитектора и не обеспечивающих планируемый срок эксплуатации здания, сооружения. Одна из причин — недостаточно глубокие знания архитектора в области строительных материалов и, прежде всего, физической сущности их свойств, основ производства, номенклатуры, примеров использования.

Цель изучения архитектурного материаловедения – получение необходимых знаний: о многогранной взаимосвязи архитектуры и материалов; о классификации и номенклатуре; физико-химической, эстетической и экологической сущности свойств; основах производства и опыта применения материалов в архитектурно-строительной практике.

Основные задачи теоретической и практической части курса «Архитектурное материаловедение» связаны с необходимостью в процессе архитектурного проектирования предусматривать рациональное применение строительных материалов и изделий на основе глубокого знания архитектором строения, эксплуатационно-технических, экономических и эстетических характеристик, современных способов направленного регулирования свойств и совершенствования оценки их качества.

Конспект лекций подготовлен в соответствии с требованиями ФГОС СПО 3-го поколения для студентов среднего профессионального образования по направлению «Архитектура».

 

Вопросы для самоконтроля

1.Классификация строительных материалов.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие составные части можно выделить в композиционных материалах? Приведите примеры таких материалов и их составных частей.

2. Почему аморфные вещества в химическом отношении более активны, чем кристаллические, и при каких условиях вещество приобретает ту или иную структуру?

Вопросы для самоконтроля

1.Чем отличается ГОСТы от СНиПов.

2.Каковы основные понятия квалиметрии?

 

Физические свойства

Физические свойства подразделяют на подвиды:

· общие физические – характеризующие структуру и массу материала;

· гидрофизические – характеризующие отношение материалов к действию воды, пара и газов;

· теплофизические – характеризующие отношение материалов к действию тепла и огня;

· акустические – характеризующие отношение материалов к действию звуковых колебаний.

Общие физические свойства

К общефизическим свойствам относятся: истинная плотность, средняя плотность и пористость материала.

Истинная плотность – масса единицы объёма вещества в абсолютно плотном состоянии, то есть без пор, пустот и трещин.

ρ = , [кг/м³] (1.1)

где – ρ истинная плотность, кг/м³; m – масса, кг; – v_а объем, занимаемый веществом без пор, трещин и каверн, м³.

Истинная плотность большинства строительных материалов больше единицы (за единицу условно принимают плотность воды при t = 4 °С). Для каменных материалов плотность колеблется в пределах 2200 – 3300 кг/м³; органических материалов (дерево, битумы, пластмассы) – 900 –1600, черных металлов (чугун, сталь) – 7250 – 7850 кг/м³.

Средняя плотность - масса единицы объёма материала (изделия) в естественном состоянии, то есть с пустотами и порами

ρ _m = , [кг/м³] (1.2)

где – ρ _m средняя плотность, кг/м³; m – масса материала (изделия) в естественном состоянии, кг; v – объем материала (изделия) в естественном состоянии, м³.

Значения плотности данного материала в сухом ρ _m и влажном состоянии ρ _{m w} связаны соотношением:

ρ _{m w} = ρ _m (1+W _m /100), (1.3)

где: W _m – влажность материала по массе, %.

Если образец имеет правильную геометрическую форму, его объем определяют путём вычислений по измеренным геометрическим размерам; если же образец неправильной формы, – по объёму вытесненной жидкости (закон Архимеда).

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м³ (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м³ у тяжёлого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчётах транспортных средств, подъёмно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал.

Плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности. Например, плотность лёгкого бетона – 500…1800 кг/м³, а его истинная плотность – 2600 кг/м³. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Насыпная плотность - масса единицы объёма сыпучих материалов в свободном насыпном состоянии, то есть без его уплотнения. За единицу объёма таких материалов принимают не только зерна самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между зёрнами рыхлонасыпного материала, выраженное в процентах по отношению ко всему занимаемому объёму, называют межзерновой пустотностью. Этот показатель важен для сыпучих материалов с рыхлозернистой структурой: для песка, щебня, гравия, керамзита и других материалов, применяемых при изготовлении бетона, а также для зернистых теплоизоляционных материалов.

Средняя плотность природных и искусственных материалов колеблется в широких пределах – от 10 кг/м³ (полимерный воздухонаполненный материал «мипора») до 2500 кг/м³ у тяжёлого бетона и 7850 кг/м³ у стали.

Данные средней плотности используют при подборе материала для изготовления строительных конструкций, расчётах транспортных средств, подъёмно-транспортного оборудования. При одинаковом вещественном составе средняя плотность характеризует прочностные свойства. Чем больше средняя плотность, тем прочнее материал. Для пористых строительных материалов истинная плотность больше средней. Только для абсолютно плотных материалов (металлы, стекла, лаки, краски) показатели средней и истинной плотности численно равны.

Пористость П - объёмная доля воздушных пустот в материале.

П= (1 - ρ _m / ρ)100, (1.4)

где ρ _m, ρ — средняя и истинная плотности материала (г/см ³, кг/м³);

Для строительных материалов П колеблется от 0 до 90%.

В зависимости от показателя пористости различают

· низкопористые (менее 30%),

· среднепористые (от 30% до 50%),

· высокопористые (более 50%) материалы.

Строение пористого материала характеризуется количеством и геометрическими размерами пор в виде капилляров (в форме трубочек) и ячеек (сферической формы).

Поры в материале могут иметь различную форму и размеры. Они могут быть открытыми, сообщающимися с окружающей средой, и замкнутыми, заполненными воздухом. При погружении материала (изделия) в воду открытые поры полностью или частично заполняются водой. В замкнутые поры вода проникнуть не может.

Характерные величины пористости (%) ряда материалов: пенопласты – 96, древесина – 65, бетон лёгкий – 60, кирпич керамический – 35, бетон тяжёлый – 10, гранит – 1, сталь - 0.

Большое влияние на свойства материалов оказывают не только величина пористости, но и размер пор, их характер. При увеличении объёма замкнутых пор и уменьшении их величины повышается морозостойкость материала и снижается теплопроводность. Наличие открытых крупных пор делает материал проницаемым для воды, неморозостойким, но в то же время он приобретает акустические свойства.

Гидрофизические свойства

Гидрофизические свойства проявляют материалы и изделия при контакте с водой и паром. Наиболее важные из них – гигроскопичность, водопоглощение, водостойкость, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость.

Увлажнение и насыщение водой оказывает большое влияние на многие важные эксплуатационные характеристики строительных материалов и изделий. В результате насыщения водой существенно изменяются их весовые характеристики, тепло- и электропроводность, линейные размеры и объём, физико-механические свойства.

В зависимости от вещественной природы материала способность материалов притягивать к своей поверхности молекулы воды различна. Материалы способные притягивать к своей поверхности воду называются гидрофильными (бетон, древесина, стекло, кирпич и другие); а отталкивающие воду – гидрофобными (битум, полимерные материалы).

Гигроскопичность - свойство материалов поглощать водяные пары из воздуха и удерживать их на своей наружной поверхности и внутренней поверхности пор.

При прочих равных условиях гигроскопичность материала зависит от характеристик его структуры и, прежде всего, от количества и характера пор и капилляров. Материалы с одинаковой пористостью, но имеющие более мелкие поры и капилляры, обладают, как правило, более высокой гигроскопичностью, чем крупнопористые. Повышенной гигроскопичностью обладают волокнистые органические материалы (древесина, войлок и т.д.).

Водопоглощение - способность материала впитывать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Оно подразделяется на водопоглощение по массе и объёму.

Водопоглощение по массе Wm, %, равно отношению массы поглощённой образцом воды к массе сухого образца.

Водопоглощение по объёму W_o, %, равно отношению массы поглощённой образцом воды к объёму образца.

Их определяют по следующим формулам:

 

(1.5)

 

где m_в — масса образца, насыщенного водой, г; m_с — масса образца, высушенного до постоянной массы, г; V — объем образца, см³.

Между водопоглощением по массе и объёму существует следующая зависимость:

Wo =Wm ρ m, (1.6)

где ρ m — средняя плотность материала, кг/м³.

Водопоглощение всегда меньше пористости, так как поры не полностью заполняются водой.

Материалы во влажном состоянии изменяют свои свойства: увеличивается средняя плотность, уменьшается прочность, повышается теплопроводность.

Водостойкость материала характеризуется коэффициентом размягчения (К ) – отношением предела прочности при сжатии материала, насыщенного водой, к пределу прочности при сжатии материала в сухом состоянии.

К Rсж.нас. / Rсж.сух. (1.7)

Например, металлы и стекло сохраняют свою прочность при действии воды и их К = 1. Материалы с К < 0,8 не применяют в конструкциях, постоянно подверженных действию воды (фундаменты зданий, дамбы, плотины).

Влагоотдача - способность материала отдавать влагу при снижении влажности воздуха. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и окружающей среды. Чем она выше, тем интенсивнее идёт высушивание изделия. Крупнопористый гидрофобный материал отдаёт воду быстрее, чем мелкопористый гидрофильный. В естественных условиях влагоотдачу строительных материалов характеризуют интенсивностью потери влаги при относительной влажности воздуха 60 % и температуре равной 20 °С.

Водопроницаемост ь – свойство материала пропускать воду под давлением через свою толщу. Водопроницаемость оценивают по коэффициенту фильтрации К_Ф, м/ч, который равен количеству воды V_В в м³, проходящей через материал площадью S = 1 м², толщиной а = 1 м за время t = 1 ч, при разности гидростатического давления = 1 м водного столба:

К_Ф = V_В a / [S (P₁ – P₂) t] (1.8)

Особенно важно это свойство при строительстве гидротехнических сооружений (дамбы, плотины, молы, мосты), резервуаров, возведении стен подвалов при наличии грунтовых вод. Коэффициент фильтрации непосредственно связан обратной зависимостью с водонепроницаемостью материала. Чем ниже, тем выше марка по водонепроницаемости.

Водонепроницаемость бетона и других материалов характеризуется маркой W2, W4...W12, обозначающей одностороннее гидростатическое давление в кг/см² (атмосферах), при котором образец не пропускает воду в условиях стандартных испытаний. Испытания проводят на специальной установке.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и, соответственно, без значительных потерь массы и прочности.

При замерзании вода увеличивается в объёме примерно на 9%, в результате возникает давление на стенки пор, которое может привести к разрушению материала. Понижению прочности также способствует перемещение (миграция) влаги по порам и капиллярам.

Морозостойкость характеризуется маркой (F15,F25…F300) - числом циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживает материал в условиях стандартного испытания. Материал считается морозостойким, если в результате испытания прочность его снизилась не более чем на 15-25%, а потери в массе не превышали 5%.

Для материалов, эксплуатируемых в условиях знакопеременных температур наружного воздуха, морозостойкость является одним из важнейших свойств, обеспечивающих их долговечность (дорожные покрытия, бордюрные камни, стеновые материалы). Главными факторами, определяющими морозостойкость материала, являются показатели структуры, от которых зависят степень их насыщения водой и интенсивность образования льда в порах.

Влагостойкость (воздухостойкость)– способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности. Природные и искусственные хрупкие каменные материалы (бетон, керамика) и древесные материалы (доска, фанера), сжимающиеся при высыхании и расширяющиеся при увлажнении, разрушаются вследствие возникновения растягивающих напряжений. В подобных условиях работают дорожные покрытия, надводные части гидротехнических сооружений.

Газо- и паропроницаемость –способность материала пропускать через свою толщу газы (воздух) или водяной пар.

При возникновении у противоположных поверхностей ограждения разности атмосферного давления происходит миграция воздуха через поры и трещины материала. Это явление эффективно до определённой степени, так как способствует дополнительному воздухообмену (вентиляции) и снижению влажности в помещении. При большой газопроницаемости материала ухудшаются теплозащитные качества стены. В зимнее время года внутри тёплых помещений в воздухе содержится значительно больше водяного пара, чем снаружи, и он стремится пройти через стену. Попадая в холодную часть ограждения, пар конденсируется, резко повышая влажность в этих местах. Повышение влажности материала способствует ухудшению теплозащитных свойств наружной ограждающей конструкции, быстрому разрушению материала особенно при действии мороза.

Для сохранения свойств ограждающих конструкций целесообразно создание условий, при которых она не будет «дышать». Особенно это относится к стенам помещений с повышенной эксплуатационной влажностью. С этой целью устраивают пароизоляционное покрытие на стене со стороны повышенного содержания водяного пара, используя следующие материалы: полиэтиленовую плёнку, рубероид, металлическую фольгу, глазурованную керамическую плитку, слой полимерной или масляной краски, а с противоположной стороны создают условия для газо- и паропроницания

Теплофизические свойства

К основным теплофизическим свойствам, оценивающим отношение материала к тепловым воздействиям, относятся теплопроводность, теплоёмкость, термостойкость, огнеупорность, огнестойкость.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий при разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Это свойство оценивается коэффициентом теплопроводности ( ), представляющим отношение количества теплоты, прошедшей в течение 1 ч через испытуемый материал толщиной 1 м, площадью1м ² при разнице температур на его противоположных поверхностях в 1° - Вт/м .

Теплопроводность материала зависит от вещественного состава, строения и характера пористости, температуры и влажности материала. Теплопроводность материалов зависит от их средней плотности, химического состава, структуры, характера пор и влажности.

Наиболее существенное влияние на теплопроводность оказывает средняя плотность материалов.

Значительно возрастает теплопроводность материалов с увлажнением.

Особенности структуры оказывают значительное влияние на теплопроводность. Например, если материал имеет волокнистое строение, то тепло вдоль волокон передаётся быстрее, чем поперёк. Так, теплопроводность древесины вдоль волокон равна 0.30, а поперёк – 0.15 Вт/м . Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые; материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем материалы с сообщающимися порами. Поэтому при расчёте конструкций коэффициент теплопроводности строительных материалов принимают для температурно-влажностных условий её эксплуатации.

Теплоёмкость – свойство материала поглощать (аккумулировать) при нагревании тепло и выделять его при остывании. При охлаждении материалы выделяют тепло, причём тем больше, чем выше их теплоёмкость. Коэффициент теплоёмкости по массе С m равен количеству тепла (Дж), необходимого для нагревания 1 кг материала на 1^oС:

с = Q / [m (t₂ – t₁)] (1.9)

где: Q – количество тепла, кДж; m – масса материала, кг; (t₁ – t₂) – разность температур.

Удельная теплоёмкость каменных материалов составляет 755–925, лесных — 2420–2750 Дж/(кг *^oС). Наибольшую теплоёмкость имеет вода — 4900 Дж/(кг *^oС). Поэтому с повышением влажности материалов их теплоёмкость возрастает, а стальные конструкции требуют для нагрева меньшей энергии.

Теплоёмкость учитывается при расчёте теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зданий, подогрева материалов в зимний период.

Если строительный материал состоит из нескольких составных частей (например, бетон или строительный раствор), то коэффициент теплоёмкости такого материала рассчитывают как сумму произведений теплоёмкостей составляющих его компонентов на их весовую долю в материале.

Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур без деформаций и разрушения. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, работающие без снижения свойств при температуре свыше 1580°С, тугоплавкие – 1580…1350 °С и легкоплавкие – ниже 1350 °С.

Огнестойкость конструкций – свойство конструкции сопротивляться действию огня и воды при пожаре в течение определённого времени. Ко всем конструкциям, используемым в строительстве, и особенно к тем, из которых выполняют несущие элементы здания: стены, колонны, перекрытия, – предъявляют требования по огнестойкости, которые зависят от категории здания и сооружения по пожаробезопасности, определяемой СНиПом. Для оценки огнестойкости введён показатель возгораемости, основанный на трёх признаках предельного состояния конструкций: потере несущей способности (снижение прочности и увеличение деформаций), теплоизолирующих свойств и сплошности.

Предел огнестойкости конструкций и материалов характеризуется временем (ч) с начала теплового воздействия и до появления одного из признаков предельного состояния.

Огнестойкость (возгораемость) строительных материалов подразделяется на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Несгораемые материалы не горят, не тлеют и не обугливаются. Это каменные материалы, металлы.

Трудносгораемые – материалы, которые под действием огня или высокой температуры с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются, но после удаления источника огня их горение и тление прекращаются (фибролит, состоящий из древесных стружек и цементного камня, асфальтобетон, некоторые полимерные материалы).

Сгораемые – материалы, которые при контакте с огнём загораются и горят открытым пламенем даже в случае ликвидации источника огня (древесина, битум, полимерные материалы).

Акустические свойства

При действии звука на материал проявляются его акустические свойства. По назначению акустические материалы делят на четыре группы: звукопоглощающие, звукоизолирующие, виброизолирующие и вибропоглощающие.

Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Основной акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощённой материалом звуковой энергии к общему количеству падающей на поверхность материала в единицу времени. Звукопоглощающими материалами называют те, у которых коэффициент звукопоглощения больше 0,2. Эти материалы обладают открытой пористостью или имеют шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук.

Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Оценку эффективности звукоизоляционных материалов проводят по двум основным показателям: динамическому модулю упругости и относительной сжимаемости (%) под нагрузкой.

Виброизолирующие и вибропоглощающие материалы предназначены для устранения передачи вибрации от машин и механизмов на строительные конструкции зданий.

 

Механические свойства

Механические свойства - способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил при сжатии, растяжении, ударе, изгибе и т.д.

Нагрузки и деформации

Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силовым воздействиям – нагрузкам, которые вызывают внутренние напряжения и деформации. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции.

На сопротивление статическим нагрузкам рассчитываются все здания и сооружения. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд сооружений предназначены для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха и специальные объекты, а также динамические нагрузки от аварий на предприятии (взрыва и удара) и действия природных катастроф - землетрясений, ураганов, наводнений, селевых потоков, оползней и др.

Механические свойства характеризуют поведение материалов при действии нагрузок различного вида (растягивающей, сжимающей, изгибающей и т.д.). В результате механических воздействий материал деформируется. В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, их подразделяют на пластичные, упругопластичные и хрупкие.

Прочность - способность материалов сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

Прочность материалов оценивают пределом прочности – напряжением, соответствующим нагрузке, при которой фиксируется начало разрушения. Наиболее распространённые нагрузки – сжатие, растяжение, изгиб и удар.

Предел прочности при сжатии R _СЖ или растяжении R _{p (}МПа), определяют по формуле:

R = P A, (1.11)

где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения(Н);

А – площадь поперечного сечения образца до испытания (м²).

Предел прочности при изгибе – R изг (МПа) – условно определяют по формуле сопротивления материалов, используемых для определения напряжения при изгибе:

R изг = М W, ( 1.12)

где М – изгибающий момент, W – момент сопротивления.

При испытании балки прямоугольного сечения в случае, если нагрузка сосредоточена в центре,

R изг = 3Pl₀ 2bh² , (1.13)

где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения(Н);

l_{0 –} расстояние (пролёт) между нижними опорами (м);

b и h – соответственно, ширина и высота поперечного сечения образца до испытания (м).

Прочность материала определяется главным образом его структурой. Например, природные и искусственные каменные материалы, сравнительно хорошо сопротивляются сжатию, но много хуже (в 5-50 раз) – растяжению, изгибу, удару. Материалы из древесины и металла хорошо сопротивляются сжатию, изгибу и растяжению. Вместе с тем структура древесины определяет её анизотропность (неодинаковость физических по различным направлениям), в результате значения пределов прочности материала из древесины при действии нагрузки вдоль или поперёк волокон весьма существенно отличаются.

Высокой считается прочность, если значения предела прочности достигают 100 МПа и более, удовлетворительной – если предел прочности составляет десятки МПа и низкой – менее 10 МПа.

Определение предела прочности на сжатие строительных материалов проводят согласно ГОСТам путём испытания образцов на механических или гидравлических прессах.

В расчёте строительных материалов на прочность допускаемые напряжения должны составлять лишь часть их предела прочности. Создаваемый запас обусловлен неоднородностью строения большинства строительных материалов, недостаточной надёжностью полученных результатов при определении предела прочности, отсутствием учёта многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.д. Запас прочности и величину допускаемого напряжения определяют и устанавливают в соответствии с нормативными требованиями в зависимости от вида и назначение материала, долговечности строящегося сооружения.

Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в его поверхность другого более твёрдого тела. Для определения твёрдости существуют несколько методов. Твёрдость каменных материалов, стекла оценивают с помощью минералов шкалы твёрдости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твёрдости (1 – тальк или мел, 10 – алмаз). Показатель твёрдости испытуемого материала находится между показателями двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим минералом.

Твёрдость металлов и пластмасс рассчитывают по диаметру отпечатка вдавливаемого стального шарика определённой массы и размера (метод Бринелля), по глубине погружения алмазного конуса под действием заданной нагрузки (метод Роквелла) или площади отпечатка алмазной пирамиды (метод Виккерса). Твёрдость материалов определяет возможность их использования в конструкциях, подвергающихся истиранию и износу (полы, дорожные покрытия). Твёрдость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твёрдость.

Твёрдость материала в большой мере зависит от его плотности.

Упругость — способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости б _УП, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, Р_УП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F₀, мм²:

 

б_УП = Р_УП / F₀. (1.14)

 

Пластичность — способность материалов изменять свою форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Хрупкость — свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.

Гибкость – это способность материала сохранять сплошность структуры (без проявления трещин) при огибании его вокруг стержня определённого диаметра. Для определения гибкости линолеума в продольном направлении вырезают два образца шириной 50 мм и накатывают лицевой поверхностью наружу на гладкий стержень диаметром 20…75 мм. Материал считается выдержавшим испытание, если по истечении 30 с на поверхности образцов н