Главная  Свойства 

 

Напряженное состояние и прочность материалов

 

Наполнителями называют порошкообразные материалы, частицы которых соизмеримы с частицами вяжущего вещества. Как и заполнители, они могут быть неорганическими и органическими, непременным элементом в составе которых является углерод; природными и искусственными; простыми по химическому составу и сложными. Частицы наполнителя могут быть также пластинчатыми, волокнистыми. Размер частиц обычно от 10 до 100 мкм и не более 1—2 мм.

 

Наполнители совместно с вяжущим веществом участвуют в формировании, микроструктуры матричной части и контактных зон в конгломератах. Тесному контакту этих двух компонентов в общей смеси способствуют механические, тепловые, ультразвуковые и другие способы обработки. Нередко сложно разграничить их функции в работе микро- или макроконгломерата. Обладая огромным потенциалом поверхностной энергии, наполнители становятся активными компонентами при отвердевании вяжущих веществ в процессе формирования структуры и свойств материала. Конкретный характер функций наполнителя зависит от разновидности вяжущего вещества. Однако можно выделить ряд сравнительно общих функций наполнителей: заполнение пор в микроструктуре без вступления в химические взаимосвязи с компонентами; увеличение водоудержи-вающей способности порошкообразного вяжущего вещества при использовании его в строительных растворах, укладываемых по пористому основанию, например в кирпичной кладке; перевод большей части органического вяжущего вещества из объемного в пленочное состояние с равномерным распределением его по высокоразвитой поверхности наполнителя для улучшения тепломеханических свойств; развитие зоны контакта между крупнозернистыми компонентами конгломерата; снижение теплового напряжения в материале, появляющегося за счет значительного различия в коэффициентах температурного расширения вяжущего вещества и заполнителя; улучшение некоторых специальных свойств конгломерата, например повышение огнестойкости, снижение истираемости и т. п.; удешевление материала за счет частичной замены дорогостоящего вяжущего местным дешевым наполнителем при сохранении качества на необходимом уровне. Могут быть у наполнителя и другие, нередко комплексные, функции. Так, например, он может выполнять роль твердого эмульгатора в пастообразных строительных материалах, порообразователя в обжиговых ИСК с выгоранием органического наполнителя, понизителя яркости тона в красочных составах с пигментами при удешевлении готового материала и т. п.

 

При большом многообразии функций наполнителя общим у каждого остается то, что в структуре конгломерата не теряется его индивидуальность, сохраняются специфические свойства компонента.

 

К наполнителям для применения в различных материалах относятся известняковые, доломитовые и другие природные порошки осадочных пород, тонкоизмельченные горные породы и минералы вулканического происхождения, порошки помола керамического боя, шамота, шлака и других отходов промышленности, асбестовые отходы производства, древесная мука (для пластмасс), зола-унос, колошниковая пыль и др. Для выбора необходимого наполнителя и определения его количества производятся лабораторные испытания как чистого вяжущего, так и вяжущего с наполнителем при сравнении их показателей при оптимальных структурах. Сравнением величин экстремумов свойств устанавливают степень эффективности наполнителя, рациональное содержание его в вяжущем веществе и ИСК.

 

Напряжение. Внешние силы, действующие на материальное тело, стремятся деформировать его. В ответ на их действие в материале возникают внутренние силы, препятствующие деформации материала, в результате чего вся система остается в равновесии. Мерой этих внутренних сил служит напряжение -сила, приходящаяся на единицу поверхности сечения материала в рассматриваемом участке. Единица напряжения Па = Н/м Па — единица очень маленькая, поэтому в технике используется более крупная единица МПа = 106Па (в строительстве все еще применяют старую единицу напряжения — кгс/см2 « 0,1 МПа).

 

При определении механических свойств строительных материалов используют законы сопротивления материалов науки о прочности и деформативности элементов.

 

Деформация. Деформация — изменение относительного расположения частиц тела, вызванное их перемещениями под действием внешних сил. Деформация является результатом изменения межатомных расстояний (упругие деформации) и перегруппировки блоков атомов и молекул (пластические деформации). Упругие деформации после снятия нагрузки исчезают, т.е. тело принимает свои исходные размеры и форму. Пластические деформации сохраняются после снятия нагрузки — это необратимые деформации. Реальные тела в той или иной степени проявляют как упругие, так и пластические деформации.

 

Обычно напряжение р в точке М ( 3. представляют в виде двух составляющих: нормального а (перпендикулярного плоскости сечения) и касательного т напряжений, являющихся основными характеристиками напряженного состояния тела. В зависимости от соотношения и направления этих напряжений различают несколько видов напряженного состояния: сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и кручение.

 

Модуль упругости. Между напряжением и деформацией упругих материалов существует прямая пропорциональная зависимость с = Ее, известная под названием закона Гука. Коэффициент пропорциональности Е, характеризующий способность материала сопротивляться деформациям, называют модулем упругости (или модулем Юнга). Для разных материалов модуль упругости различен. Чем ниже модуль упругости, тем легче деформируется материал (например, модуль упругости стали 2- 10 бетона 3-104, а резины около 10 МПа).

 

Определение нормальных а и касательных т напряжений в точке М

 

Сжатие и растяжение. Если действующие силы направлены вдоль оси стержня (осевое сжатие или растяжение), то в нем возникают нормальные напряжения, одинаковые по всему поперечному сечению стержня.

 

Основные виды деформаций тела в целом: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение и др. Все многообразие деформаций представляет собой сочетание простейших деформаций: растяжения (или сжатия) и сдвига.

 

Изгиб. При изгибе ось балки ( 3.7, а), которая была до воздействия нагрузки прямолинейной, под действием этой нагрузки искривляется. Причина искривления балки — изгибающий момент, действующий на нее. Чтобы определить изгибающий момент, действующий на балку в любой ее точке, нужно мысленно рассечь балку в этой точке, отбросить одну ее половину и сосчитать сумму моментов всех внешних сил относительно этой точки (включая и реакцию опор). Сумма моментов даст значение момента внутренних сил в балке в рассматриваемой точке.

 

Основной конструктивный элемент, рассматриваемый в сопротивлении материалов, — брус — тело, длина которого значительно больше, чем высота и ширина. В зависимости от направления сил, действующих на брус, его называют стержнем или балкой.

 

Схемы нагружения (а) и деформации балки (б); эпюра изгибающих моментов (в)

 

При испытаниях строительных материалов на сжатие вместо стержня обычно применяют образцы — кубы. Расчетные формулы для куба такие же, как и для стержня.

 

Предел прочности материала. При определении прочности строительных материалов образец материала доводят до разрушения. На 3.8, а,б представлены диаграммы испытания на растяжение хрупкого и пластичного материалов до стадии их разрушения. Задача таких испытаний определение напряжения, ниже которого материал существует неограниченно долго, а выше которого — разрушается мгновенно. Это предельное напряжение называется пределом прочности материала и обозначается R.

 

Диаграмма деформация напряжение при испытании на растяжение хрупких (а) и упругопла-стичных (б) материалов (а напряжение; е — относительная деформация)

 

Изгибающий момент вызывает прогиб балки, причем при рассматриваемой схеме нагружения балка со стороны нагрузки будет вогнутой, а с противоположной стороны — выпуклой ( 3.7, в). В этом случае напряжения, связанные с деформациями законом Гука (формула (3.1 ), неодинаковы по высоте сечения. Поэтому при определении напряжений в материале при изгибе необходимо учитывать не только площадь его сечения, как при сжатии и растяжении, но и распределение материала по высоте сечения.

 

Предел прочности — основная характеристика механических свойств материала; чаще всего определяют предел прочности при сжатии ЯсЖ и при изгибе Rm.

 



Фундаменты на проса дочных грунтах. Кровли из асбестоцементаых плоских и волнистых листов. Кровли из мягких материалов. Крыши бань и саун. Легированные стали и твердые сплавы. Малярные работы. Материалы и изделия из горных пород.

 

Главная  Свойства 



0.0077