Какое свойство материала характеризует коэффициент размягчения
Материалы это материальная субстанция, используемая для производства, изготовления вещей или преобразования в другие материальные субстанции, объекты и предметы, на практике это — продукция, которую расходуют с изменением формы, состава или состояния при изготовлении изделий. В зависимости от выбранного материала окончательное изделие будет обладать тем или иным свойством.
Механические свойства
Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация полностью исчезает после прекращения действия внешней силы, поэтому ее принято называть обратимой.
Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстановись свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией.
Пластическую, или остаточную, деформацию, не исчезнувшую после снятия нагрузки, называют необратимой.
Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: относительная деформация, модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона.
Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину dl в направлении действия силы.
Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации dl к первоначальному линейному размеру l тела.
Формула расчета: є = dl / l,
где є — относительная деформация.
Модуль упругости (модуль Юнга) связывает упругую деформацию є и одноосное напряжение s линейным соотношением, выражающим закон Гука.
Формула расчета: є = s / E ,
где E — модуль Юнга.
При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяется по формуле:
s = Р / F,
где Р — действующая сила; F — площадь первоначального поперечного сечения элемента.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Модуль упругости представляет собой меру жесткости материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости.
Зависимость модуля упругости Е ряда материалов от температуры плавления ( tпл. ) смотри в таблице.
Модуль упругости Е связан с другими упругими характеристиками материала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное растяжение (сжатие) sz вызовет деформацию по этой оси — єz и сжатие по боковым направлениям — єx и — єy, которые у изотропного материала равны между собой.
Коэффициент Пуассона, или коэффициент поперечного сжатия µ равен отношению:
µ = — єx / єz.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Коэффициент Пуассона бетона — 0,17 — 0,2, полиэтилена — 0,4.
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.).
Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации.
Схема диаграмм деформаций.
Для хрупких материалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных растворов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии.
Предел прочности при осевом сжатии равен частному от деления разрушающей силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы).
Формула расчета: Rсж = Рразр / F,
где Rсж — предел прочности при осевом сжатии; Рразр — разрушающая сила; F — первоначальная площадь поперечного сечения образца.
Предел прочности при осевом растяжении Rр используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов.
В зависимости от соотношения Rр / Rсж можно условно разделить материалы на три группы:
1) материалы, у которых Rр > Rсж (волокнистые — древесина и др.) ;
2) Rр = Rсж (сталь);
3) Rр < Rсж (хрупкие материалы — природные камни, бетон, кирпич).
Размерность: (Мпа).
Предел прочности при изгибе определяют путем испытания образца в виде балочек на двух опорах.
Формула расчета: Rр•и = М / W,
где Rр•и — предел прочности при изгибе; М — изгибающий момент; W — момент сопротивления.
Размерность: (Мпа).
Коэффициент конструктивного качества (к.к.к.) материала равен отношению показателя прочности R к относительной средней плотности pо.
Формула расчета: к.к.к. = R / pо.
Следовательно, это прочность, отнесённая к единице средней плотности. Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой средней плотности.
Примеры значений к.к.к. для некоторых строительных материалов:
стеклопластик — 225; древесина (без пороков) — 200; сталь высокопрочная — 127; сталь — 51; легкий конструкционный бетон — 22,2; тяжелый бетон — 16,6; легкий бетон — 12,5; кирпич — 5,56.
Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
Твердость минералов оценивают шкалой Мооса, представленной десятью минералами, из которых каждый последующий своим острым концом царапает все предыдущие. Эта шкала включает минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10.
1. Тальк, Mg3[Si4O10][OH]2 — легко царапается ногтем.
2. Гипс, CaSO4 • 2H2O — царапается ногтем.
3. Кальцит, CaCO3 — легко царапается стальным ножом.
4. Флюорит (плавиковый шпат), CaF — царапается стальным ножом под небольшим нажимом.
5. Апатит, Ca5 [PO4]3 F — царапается ножом под сильным нажимом.
6. Ортоклаз, К2О.Al2О3.6SiO2 — царапает стекло.
7. Кварц, SiO2; топаз, Al2 [SiO4] (F, OH)2; корунд, Al2 О3; алмаз, С — легко царапают стекло, применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.
Твердость древесины, маталлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них стальной шарик или твердый наконечник (в виде конуса или пирамиды). В результате испытания вычисляют число твердости
HB = P / F,
где F — площадь поверхности отпечатка.
От твердости материалов зависит их истираемость: чем выше твердость, тем меньше истираемость.
Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F.
Формула расчета: И = ( m1 — m2 ) / F,
где m1 и m2 — масса образца до и после истирания.
Размерность: (г/кв.см).
Это свойство важно для эксплуатации дорог, полов, ступеней лестниц, и т. п.
Износом называют свойство материалов сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов.
Сопротивление удару — способность материала сопротивляться действию удара падающего груза. Для определения прочности материалов при ударе применяются специальные копры.
Физические свойства
Истинная плотность — масса единицы объёма абсолютно плотного материала.
Формула расчета: p = m / Vа,
где m — масса материала; Vа — его объем в плотном состоянии.
Размерность: (г/куб.см, кг/куб.м).
Средняя плотность — масса единицы oбъема материала в естественном состоянии.
pо = m / V,
где m — масса материала; Vс — его объём вместе с порами.
Размерность: (г/куб.см, кг/куб.м).
Значение средней плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением:
p = p / (1 + Wм),
где Wм — количество воды в материале, доли от его массы.
Насыпная плотность ( pн ) — масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов (цемента, песка, гравия, щебня, гранулированной минеральной ваты и т. п.).
Истинная пористость — степень заполнения объема материала порами.
Формула расчета 1: П = Vп / V,
где Vп — объем пор; V — объём материала с порами.
Размерность: в процентах от объема.
Формула расчета 2: П = [1 — ( pо / p)] 100,
где pо — средняя плотность материала; p — истинная плотность материала.
Размерность: в процентах от объема.
Основные свойства строительных материалов представлены в таблице.
Свойства, связанные с действиями воды
Гигроскопичность или сорбционная влажность — свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха.
Поглощение влаги из воздуха называется сорбцией.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью.
Водопоглощение определяют по объему и массе.
Водопоглощение по объему — степень поглощения материала водой.
Формула расчета: Wо = ( mв — mс ) / V • 100,
где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mс — масса образца в сухом состоянии; V — объём материала.
Размерность: (%).
Водопоглощение по массе — определяют по отношению к массе сухого материала.
Формула расчета: Wм = ( mв — mс ) / mс • 100,
где mв — масса образца материала, насыщенного водой; mс — масса образца в сухом состоянии.
Размерность: (%).
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Водопоглощенние различных материалов колеблется в широких пределах: гранита — 0,02- 0,7%, тяжелого плотного бетона — 2-4%, кирпича — 8-15%, пористых теплоизоляционных материалов — 100% и больше.
Связь между водопоглощением по массе и водопоглощением по объему определяется соотношением:
Wо = Wм • pо,
где pо — средняя плотность.
Коэффициент насыщения.
Водопоглощение используют для оценки структуры материла, привлекая для этой цели коэффициент насыщения пор водой равный отношению водопоглощения по объему к пористости:
kн = Wо / П,
где П — истинная пористость.
Коэффициент насыщения может изменяться от 0 (все поры в материале замкнутые) до 1 (все поры открытые), тогда Wо = П.
Коэффициент размягчения — отношение прочности материала, насыщенного водой, к прочности сухого материала.
Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокшие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.
Формула расчета: kр = Rв / Rс,
где Rв — прочность материала, насыщенного водой; Rс — прочности сухого материала.
Водопроницаемость — это свойство материала пропускать воду под давлением.
Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость материала.
Формула расчета: kф = Vв a / [ S( P1 — P2 ) t],
где kф = Vв — количество воды в куб.м, проходящей через стенку площадью S = 1 кв.м, толщиной а = 1 м за время t = 1 ч при разности гидростатического давления на границах стенки ( P1 — P2 ) = 1 м вод. cт.
Размерность: (м/ч).
Газо- и паропроницаемость.
При возникновении у поверхности ограждения разности давления газа происходит его перемещение через поры и трещины материала.
Коэффициент газопроницаемости характеризует газо- и паропроницаемость:
Формула расчета: kг = aVp / ( StdP),
где Vp — масса газа или пара (плотностью p), прошедшего через стенку площадью S и толщиной а за время t при разности давлений на гранях стенки dP.
Размерность: [г/(м•ч•Па)].
Относительные значения паро-газопроницаемости некоторых строительных материалов представлены на таблице.
Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.
Набухание (разбухание) происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их, при этом утолщаются гидратные оболочки вокруг частиц, исчезают внутренние мениски, а с ними и капиллярные силы.
Усадка некоторых строительных материалов представлена на таблице.
Свойства, связанные с действиями тепла
Морозостойкость ( F, Мрз) — свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание без значительной потери в массе и прочности.
Морозостойкость материала количественно оценивается маркой по морозостойкости.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Легкие бетоны, кирпич, керамические камни для наружных стен зданий обычно имеют морозостойкость Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35. Бетон, применяемый в строительстве мостов и дорог, должен иметь марку Мрз 50, Мрз 100 и Мрз 200, гидротехнический бетон — до Мрз 500.
Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой.
На практике удобно судить о теплопроводности по средней плотности материала. Известна формула В.П. Некрасова, связывающая теплопроводность со средней плотностью каменного материала, выраженной по отношению к воде. Значение теплопроводности по этой формуле вычисляется следующим образом:
1,16 • SQRT(0,0196 + 0,22 • pо — 0,16),
где SQRT( ) — операция вычисления квадратного корня; pо — средняя плотность материала.
Размерность: Вт/(мК).
Теплоёмкость определяется количеством тепла, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить его температуру на 1°С.
Примеры строительных материалов по данному свойству:
Теплоемкость неорганических строительных материалов (бетонов, кирпича, природных каменных материалов) изменяется в пределах от 0,75 до 0,92 кДЖ/(кг •°С). Теплоёмкость сухих органических материалов (например, древесины) — около 0,7 кДЖ/(кг •°С), вода имеет наибольшую теплоемкость — 1 кДЖ/(кг •°С), поэтому с повышением влажности теплоемкость возрастает.
Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580°С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. Огнеупорные материалы применяют для внутренней футеровки промышленных печей.
Тугоплавкие материалы размягчаются при температуре выше 1350°С.
Горючесть — способность материала гореть.
Материалы делятся на горючие (органические) и негорючие (минеральные).
Добавлено:
23.10.2019 15:13:04
Физическое состояние материала, в особенности его влажность, оказывает большее влияние на величину предела прочности образца. Прочность большинства природных и искусственном каменных материалов в сухом состоянии выше, чем в насыщенной водой состоянии. Свойство материалов сохранять прочность в водонасыщенном состоянии называется водостойкостью и характеризуется коэффициентом размягчения, который определяют по формуле:
Кр= , (20)
— предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа (кг/см2);
— предел прочности при сжатии образцов, высушенных до постоянной массы, МПа (кг/см2).
В соответствии с ГОСТ 30629-99 для определения прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии образцы материалов из горных пород после измерений укладывают в сосуд с водой комнатной температурь так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. В таком положении образцы следует выдержать в течение 48 ч. После чего их вынимают из сосуда, удаляют влагу с поверхности влажной тканью и каждый образец подвергает испытанию на прессе по описанной выше методике. Для испытаний также берут не менее 3-х образцов. По результатам испытаний делается заключение о водостойкости материала и области его применения. Строительный материал принято считать водостойким, если коэффициент размягчения его составляет не менее 0,8.
Определение предела прочности при изгибе
Предел прочности при изгибе определяют на гидравлических прессах, или на специальных испытательных изгибающих машинах, например, МИИ — 100. Образцы изготовляет согласно ГОСТ на испытываемый материал. Например, при испытании цемента, гипса, изготавливают образцы-балочки размером 40x40x160 мм (табл.1), а при испытании древесины — балочки размером 20x20x300 мм (табл.1). Нагрузка на образец может передаваться одним или двумя грузами по схемам, которые приводятся соответственно в таблице 1.
Перед испытанием образцов на них отмечают метками места приложения нагрузок и опирания, определяют размеры сечения в местах приложения нагрузок (ширину и высоту поперечного сечения). Затем, если испытание проводят на прессе на нижней опорной плите укрепляют два опорных катка, не которые устанавливают по меркам испытуемый образец. Между верхней плитой и образцом устанавливают верхнюю планку, по которой передается изгибающая нагрузка. После испытаний на прессе определяется разрушающая изгибающая нагрузка Ризг, а на машине МИИ — 100 сразу определяется величина предела прочности при изгибе Rизг. В первом случае предел прочности при изгибе определяют по формулам:
а) при одной сосредоточенной нагрузке и образце — балочке прямоугольного сечения
Rизг=, [МПа (кг/см2)], (21)
б) при двух равных сосредоточенных нагрузках, расположенных симметрично оси балочки в 1/3 пролета
Rизг= , [МПа (кг/см2)], (22)
где: Ризг — разрушающая нагрузка, Н (кг);
L — расстояние между опорами, м (см);
а— расстояние между точками приложения нагрузок, м (см);
b — ширина поперечного сечения балочки, м (см) ;
h — высота поперечного сечения балочки, м (см).
Окончательный результат предела прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое результатов испытаний 3-х образцов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
КОНСТРУКТИВНОГО КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ
Коэффициент конструктивного качестваматериала (К.К.К.) материала характеризует его конструктивные свойства. Коэффициент конструктивного качества определяют по формулам:
К.К.К.= , [МПа], (23)
где: R — предел прочности материала, МПа;
ρ0 – относительная плотность материала (средняя плотность, деленная на плотность воды) подставляемая в формулу в виде безразмерной величины.
Наиболее эффективные конструкционные материалы имеют более высокую прочность при малой средней плотности. Повышения К.К.К. можно добиться снижением средней плотности материала и увеличением его прочности.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ
Морозостойкость характеризует способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Основная причина разрушения влажного материала при замораживании заключается в давлении на стенки пор воды при ее замерзании, составляющем десятки и сотни МПа и приводящем к разрушению материала.
Определение морозостойкости материалов из горных пород производят в соответствии с ГОСТ 30629-99. Для этого готовят образцы кубической формы с ребром 40-50 мм или цилиндрической — диаметром и высотой 40-50 мм.
Испытание проводят в следующей последовательности. Образцы укладывают в ванну на решетку в один ряд и заливают водой с температурой 20+50С так, чтобы уровень воды в ней был выше верха образцов на 20 мм. После выдержки образцов в течение 48 часов воду сливают. Пять образцов испытывают на сжатие по стандартной методике, ванну с остальными образцами помещают в холодильную камеру и доводят температуру до минус 17-250С. При установившейся температуре в пределах минус 17-250С образцы выдерживают 4 часа, после чего ванну вынимают из камеры и наливают а нее проточную или сменяемую воду с температурой 20+50С, и выдерживают до полного оттаивания образцов, но не менее 2 часов. Одно замораживание и одно оттаивание считаются за один цикл.
Циклы испытаний повторит и в зависимости от ожидаемой величины морозостойкости для данного материала после 15, 25, 60 или более циклов по пять образцов подвергают испытанию на сжатие по ранее изложенной методике.
По результатам испытаний вычисляют потерю прочности образцов по формуле:
D= 100, [%] (24)
где: Rcж — среднее арифметическое значение прочности на сжатие
пяти образцов в насыщенном водой состоянии, [МПа (кг/см2)];
— среднее значение прочности на сжатие пяти образцов
после их испытания на морозостойкость, [МПа (кг/см2)].
Если среднее значение потери прочности пяти образцов при сжатии после попеременного их замораживания и оттаивания не превышает 20% при установленном числе циклов, то такой материал отвечает соответствующей марке по морозостойкости. При потере прочности свыше 20% материал не отвечает соответствующей марке по морозостойкости. Морозостойкость может оцениваться также по потере массы образцами из испытуемого материала. В этом случае после насыщения водой образцы (не менее 5-ти) взвешивают, а затем после соответствующего количества циклов замораживания-оттаивания снова взвешивают. По результатам вычисляют потерю массы образцов по формуле:
D= 100, [%] (25)
где: m1 — маccа образца до испытания, г;
m2 — масса образца после испытания, г.
Пределом морозостойкости считается то наибольшее количество циклов, которое материал выдержал при потере массы не более 5%.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: