Деформативные свойства строительных материалов: Механические свойства строительных материалов | Belkirpich.ru

Механические свойства строительных материалов | Belkirpich.ru

Механические свойства строительных материалов – это способность противостоять разрушающему воздействию внешних факторов. В это понятие также входит степень сопротивления напряжению и изменению формы – деформации.
К таким свойствам относится истираемость, твёрдость, прочность строительных материалов, показатель хрупкости, сопротивление механическим воздействиям, пластичность и упругость. Также к механическим свойствам строительных материалов относятся и другие показатели: растяжение, изгиб, сжатие.

Механические характеристики стройматериалов

Как мы знаем, помимо физических и химических свойства строительных материалов существуют и механические, которые делятся на две категории:

• прочностные свойства;
• деформативные свойства.

Каждый из критериев характеризуется тем, насколько той или иной стройматериал способен сопротивляться разрушающему воздействию внешних факторов. Рассмотрим детальнее самые главные механические свойства строительных материалов:

• прочность. Любой материал испытывает определённые нагрузки в процессе эксплуатации. Прочность – это как раз свойство, указывающее на возможность разрушения под их воздействием. К таким воздействиям относят срез, изгибание, сжатие или растяжение;
• пластичность. Необычное свойство, которое означает, что материалам может принять другую форму и сохранить её после снятия напряжения;
• упругость. Это возможность материала деформироваться и возвращаться в своё исходное состояния или размер после напряжения. Хрупкие материалы под воздействием внешних факторов разрушаются, а вот упругие, наоборот, только деформируются. Одним из наиболее наглядных примеров является резина, она легко возвращает свою первоначальную форму. К примеру, если взять образец и растянуть его, он, безусловно, изменится, но, если отпустить одну сторону, резина вернётся в исходное состояние;
• предел прочности. Минимальное значение напряжение, при котором разрушается образец. Данную величину устанавливают с помощью всевозможных исследований и испытаний стройматериалов. Наименьшим пределом прочности отличаются торфоплиты (не более 0,5 МПа), а максимальный показатель у высококачественной стали – около тысячи МПа;
• хрупкость. Указывает на то, насколько стройматериал разрушается под действием внешних факторов и сил. Яркий пример – стекло или керамика. Даже при незначительной нагрузке хрупкие материалы мгновенно бьются или разламываются. Появляются трещины или сколы;
• твёрдость. Сопротивление материалу воздействию более твёрдого образца. Измеряется по шкале Мооса от 1 до 10. Иными словами, твёрдость указывает на возможность одного строительного материала сопротивляться воздействию другого (того, которое более твёрдое). Самый низкий показатель характерен для талька, а самый высокий, естественно, для алмаза (все десять баллов).

Также к механическим свойствам строительных материалов относится истираемость, сопротивление удару и износ. Все эти критерии играют важную роль при строительстве зданий или сооружений, т.к. непосредственно от них зависит надёжность и крепость конструкций, а также эксплуатационный период.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет — Сибстрин

Отсканированное изображение

%PDF-1.4
%
1 0 obj

/Title
>>
endobj
2 0 obj
>
endobj
3 0 obj
>
stream

application/pdf2019-02-11T10:17:21+03:00NAPS22019-02-12T10:25:28+03:00PDFsharp 1.50.4589 (www.pdfsharp.com)uuid:202bd921-e74a-4b68-86f0-f1562537929cuuid:12fd8dcf-3c35-48e3-8d74-907603cab25c

endstream
endobj
4 0 obj
>
endobj
5 0 obj
>
/MediaBox [0 0 612 792]
/Parent 4 0 R
/Resources >
/Font >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
/XObject >
>>
/Type /Page
>>
endobj
6 0 obj
>
>>
/Rotate 0
/Type /Page
>>
endobj
7 0 obj
>
/MediaBox [0 0 595. z!b{ GʆBkpOc7l| R8a0!*}rQkrQ71b5Zs8’sq: b\1@&1UUTɸz%%V–€IYkMơ@S;F{E>Sspm=wa\dH=_

Свойства древесины

Часть 1

Основные свойства древесины классифицируются на
физические и механические. Физические свойства древесины
характеризуются цветом, блеском, текстурой, плотностью,
гигроскопичностью и др. Механические свойства древесины
характеризуются прочностными и деформативными показателями при
различном ее напряженном состоянии (прочность при сжатии,
растяжении, изгибе, скалывании, модуль упругости и сдвига,
ползучесть, усадка и др.).

Физические свойства древесины. Рассмотрим те физические
свойства древесины, которые имеют наибольшую значимость для
строительной индустрии.

Влажность древесины оказывает значительное влияние на ее свойства.
Древесина содержит свободную (в полостях клеток) и связанную (в
оболочках клеток) влагу. Влажность древесины %

где m — масса образца влажной древесины;
mсух- масса образца
в абсолютно сухом состоянии.

При высыхании древесина сначала теряет свободную влагу и только
затем гигроскопическую. Влажность древесины, содержащей предельные
количества гигроскопической влаги, называется точкой насыщения
волокон. Числовая величина предела гигроскопичности
Wпг при
t = 20 °С составляет в среднем 30 %.

Влажность, которую приобретает древесина, находясь долгое время на
воздухе с постоянной его относительной влажностью и температурой,
называется равновесной влажностью. Древесина достигает равновесной
влажности, когда упругость паров воды окружающего воздуха становится
одинаковой с упругостью паров воды на поверхности древесины.

Древесина принадлежит к материалам, размеры которых нестабильны и
изменяются при изменении температуры и влажности. Температурные
деформации древесины сравнительно невелики. Влажностные же
деформации ее значительно больше температурных. Уменьшение линейных
размеров или объема древесины, происходящее при снижении влажности,
называют усушкой, а увеличение размеров или объема при повышении
влажности — разбуханием. У сушка и разбухание древесины объясняются
особенностями ее строения и взаимодействия с влагой. Разбухание
сухой древесины на воздухе или пару прекращается при достижении ее
влажности предела гигроскопичности Wпг,
а в воде — предела насыщения клеточных стенок Wпн.
Усушка сырой древесины начинается только от предела насыщения.

Усушка древесины % выражается формулой:

где ky — коэффициент
усушки, характеризующий ее величину при изменении влажности
клеточных стенок на 1 %

Полная (при удалении всей связной влаги) усушка составляет в
тангенциальном направлении для древесины различных пород 6 … 10 %,
а в радиальном направлении 3 … 5 %, вдоль волокон 0,1 … 0,3 %,
полная объемная усушка примерно 12 … 15 %. Вследствие разницы
значений радиальной и тангенциальной усушки при высыхании (или
увлажнении) наблюдается коробление древесины.

Объемная масса, или средняя плотность древесины зависит от ее
влажности и объема пор. Плотность древесного вещества (удельная
масса) у всех пород одинакова (так как одинаков их химический
состав) и примерно равна 1,5. Плотность древесины из-за наличия в
ней полостей меньше плотности древесного вещества и колеблется в
значительных пределах в зависимости от породы, условий роста,
положения образца древесины в стволе и т.д.

Плотность древесины при данной влажности определяется по формуле:

где mw и
Vw — масса и объем
образца при данной влажности W.

Механические свойства древесины. При использовании древесины
в качестве конструкционного материала и создании композиционных
материалов возникает необходимость учитывать способность древесины
сопротивляться действию усилий, т.е. ее механические свойства. К
механическим свойствам древесины относятся ее прочность и
деформативность, а также связанные с механическими воздействиями
некоторые ее эксплуатационные свойства.

Прочность древесины характеризует ее способность сопротивляться
разрушению под действием механических нагрузок. Показателем этого
механического свойства служит предел прочности — максимальная
величина напряжений, которые выдерживает материал без разрушения.
Предел прочности устанавливают при испытаниях образцов древесины на
сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и (очень редко) при кручении.
Древесина относится к анизотропным материалам, поэтому определение
показателей прочности проводят по разным структурным направлениям —
вдоль и поперек волокон (по радиальному и тангенциальному
направлениям).

Деформативностью древесины называют ее способность изменять свои
размеры и форму при воздействии усилий. Показателем деформативности
древесины служат модули упругости, коэффициенты поперечной
деформативности, модули сдвига, длительные модули упругости,
ползучесть, усадка и др.

При расчете элементов деревянных конструкций необходимо знать
механические свойства древесины и аналитическое определение
напряженного и деформированного ее состояний. Многие конкретные
задачи решаются методами теории упругости и сопротивления материала.

К числу эксплуатационных и технологических свойств,
проявляющихся при воздействии усилий, можно отнести: твердость,
ударную вязкость, износостойкость, способность удерживать крепления
и др. По своим механическим свойствам древесина относится к
анизотропным материалам. Она имеет существенное различие в
показателях прочностных и деформативных свойств по разным
структурным направлениям. Наибольшую прочность и жесткость древесина
имеет вдоль волокон, наименьшую — в поперечном направлении.

Показатели механических свойств древесины зависят от ее влажности.
При увлажнении древесины до предела насыщения клеточных стенок
показатели всех механических свойств резко уменьшаются. При
дальнейшем повышении влажности древесины (свыше 30 %) показатели
механических свойств практически не изменяются.

Для пересчета показателей механических свойств (кроме показателей
деформативности) к нормализованной влажности используют формулу:

где B12 — показатель
данного свойства при влажности 12 %; Bw
— древесины в момент испытаний; а — поправочный коэффициент на
влажность, показывающий, насколько изменяется показатель данного
свойства при изменении влажности на 1 %.

Свойства деформативные механические — Энциклопедия по машиностроению XXL

Неучтенный температурный градиент в поперечном сечении образца приводит к значительным искажениям определяемых механических свойств. По данным [1] испытания графита при температуре 3000° С с прямым нагревом электрическим током на образцах диаметром 10 мм было отмечено занижение предела прочности в 4 раза, деформативности в 7.7 раза по сравнению с испытанием в условиях косвенного нагрева. При нагреве методом электросопротивления образцов с защитными покрытиями положение может еще более усугубляться из-за неравномерного распределения плотности тока по сечению образца вследствие различия величин удельных электрических сопротивлений материала покрытия и образца, могущих отличаться по величине на несколько порядков.  [c.52]











Из механических свойств анизотропных материалов инженера в первую очередь интересует их деформативность  [c. 9]

Разработанные методы описания структуры фрактальных кластеров и основных процессов их агрегации могут быть использованы для построения теории структурно — механических свойств дисперсных систем как основы их физико-химической механики. Ключевой характеристикой теорий такого рода являются модули упругости, поскольку они определяют не только жесткость и деформативность дисперсных систем и материалов, но также их вязко— и термоупругое поведение, прочность и твердость. Существующие асимптотические оценки поведения модулей упругости в области перколяционных фазовых переходов [76] мало пригодны для конкретных расчетов напряженных состояний при различных видах нагружений.  [c.42]

Применение новых композиционных материалов с регулируемыми характеристиками состояния возможно только при условии их детального исследования. Примером таких материалов могут служить армированные пластики, представляющие композиции сверхпрочных армирующих волокон и различных связующих. Они обладают специфическими механическими особенностями, существенно, отличающимися от свойств традиционных материалов (сталей, сплавов и др.), в частности анизотропией деформативных и прочностных свойств, низкой сдвиговой жесткостью, сдвиговой ползучестью. В таких условиях известные теории и методы расчета элементов конструкций не всегда правомочны, что требует обогащения исходных математических моделей состояния.  [c.3]

Волокнистая форма упрочнителей и существенное разливе в прочностных и деформативных характеристиках волокон и матриц обусловливает анизотропию физико-механических свойств композиций, которую  [c.587]

Следовательно, построение теории твердого тела и, в частности, объяснение его прочностных и деформативных свойств в рамках классической физики невозможно, и необходимо привлекать квантово-механические представления.  [c.28]

В принципе крепежные элементы для холодной клепки можно изготавливать практически из всех конструкционных термопластов, в том числе наполненных волокнами. Но по комплексу физико-механических свойств лучшими являются кристаллизующиеся термопласты с высоким уровнем вынужденной эластичности, в частности полиформальдегид и ПА [71]. Для повышения деформативности во время клепки полиамидные стержни рекомендуется предварительно увлажнять. При использовании стержней круглого сечения во время расклепывания замыкающей головки остальная часть стержня находится в зажатом состоянии. Хорошие условия для формования потайной замыкающей головки при холодной клепке создаются, если ее располагают в металлической (присоединяемой к полимерной) детали.  [c.181]

Биомеханика биологических материалов и систем. Исследования в этом направлении принадлежат к фундаментальным, так как на их основе решается множество прикладных проблем, входящих в другие направления. Сюда относятся работы, посвященные изучению особенностей строения и механических свойств (упругих, деформативных и прочностных), а также разрушения различных мягких и твердых биологических тканей и даже целых биологических систем.  [c.477]

Помимо химического состава большое влияние на механические свойства оказывает физическая структура. Поскольку настоящая книга в основном посвящена деформативности и прочности кристаллических полимеров, введем некоторые элементарные понятия об их структуре.  [c.10]

Физико-механические свойства полимерных материалов зависят от видов химических соединений и химических элементов их образующих, степени полимеризации, определяющей величину макромолекул, структур макромолекул, их взаимного расположения и надмолекулярного строения твердого полимера. Особенности строения полимерных материалов обусловливают также рад реологических явлений релаксацию, механический гистерезис, последействие и течение, что отражается на деформативных свойствах пластических масс.  [c.5]

Для оценки изменения свойств стеклопластиков в процессе изучения химического сопротивления проводят механические, сорбционные, диэлектрические испытания, изучая кинетику их изменения при длительном контакте со средами. При этом механические испытания позволяют получить необходимые сведения о снижении кратковременных и длительных прочностных и деформативных характеристик, выявить закон старения и прогнозировать на этой основе изменение механических характеристик материала в процессе эксплуатации. В ходе изучения кинетики сорбции устанавливают показатели массопереноса (коэффициенты диффузии, проницаемости, сорбции). Сопоставление механических и сорбционных показателей позволяет установить корреляцию между ними, которая может быть использована при оценке эксплуатационного поведения изделий. Диэлектрические испытания позволяют оценить предельное состояние по величине емкостно-омических показателей и разработать на этой основе методы неразрушающего контроля за состоянием изделий в процессе эксплуатации.  [c.56]

Компоненты стеклопластика не в одинаковой степени участвуют в сопротивлении композиционного материала механическому воздействию. Так, прочностные и деформативные свойства связующего наиболее отчетливо проявляются в сопротивлении статическому изгибу и сдвигу и в меньшей степени-в сопротивлении растяжению и сжатию. Естественно, что сорбция среды, приводящая к изменению физико-механических свойств связующего, в первую очередь отражается на модуле упругости и прочности увлажненного стеклопластика при изгибе (табл. 5.2).  [c.123]

Высокая химическая стойкость и хорощие физико-механические свойства (термо- и теплостойкость, деформативность, прочность и т. д.) обусловили заметное увеличение объема и ассортимента полимерных материалов, применяющихся в антикоррозионной технике.  [c.63]

В общем случае анизотропии деформативность упругого тела характеризуется 21 независимой постоянной. Однако армированные пластики, как правило, обладают определенной симметрией механических свойств. Симметрия строения позволяет уменьшить число определяемых характеристик. В зависимости от целей, т. е. типа конструкции, для которой предназначен материал, и характера действующих нагрузок число исследуемых характеристик может  [c.29]

Отличие механических свойств термопластичных полимеров от свойств других типов конструкционных материалов заключается в их сравнительно низких деформативной устойчивости и прочности  [c. 23]

В армированных пластиках (КВМ) армирующий волокнистый наполнитель воспринимает механические напряжения, определяя механические свойства материала — прочность, деформативность, жесткость. Полимерная матрица (связующая, находящаяся в межволоконном пространстве) служит для распределения механических напряжений между волокнами (частично она также воспринимает механические напряжения) и, что очень важно, определяет монолитность материала. Следует заметить, что в армированных пластиках (волокнистых композитах) фактически работают отдельные волокна и контактирующие с матрицей, но не нити или другие текстильные структуры в целом. Те или иные текстильные структуры важны прежде всего для создания необходимой ориентации волокон в материале или изделии.  [c.771]

В вопросах взаимодействия пути и подвижного состава железнодорожный путь рассматривается как весьма существенная часть единой механической системы путь—экипаж — При этом в первую очередь должно было обращено внимание на те особенности конструкции железнодорожного, пути, которые определяют динамическое его взаимодействие с подвижным составом, а именно его деформативные свойства и, прежде всего, его жесткость, рассеяние энергии колебаний, характер и параметры контактирования рельсов с колесными парами, характеристики неровностей рельсового пути в целом и отдельных его элементов в плане и профиле, и некоторые другие особенности и па раметры.  [c.11]

Знание физико-механических свойств материалов, их структуры и деформативности позволяет предсказать прочность материала, определить рациональные области его применения. Поэтому для понимания природы прочности материалов важно и необходимо знать, что представляют собой начальные дефекты в исходном материале, как изменяются их размеры и форма при воздействии нагрузок, агрессивных сред.  [c.9]

При использовании полимерных материалов в конструкциях уплотнительных узлов весьма важными характеристиками являются их механические свойства, в первую очередь упругие свойства. Поскольку уплотнительные узлы применяют в различных условиях, при различных температурах, изменение последних будет влиять на свойства полимерных материалов. Температурная зависимость упругих свойств полимеров отражает многие особенности их молекулярного строения, их деформативность. Под воздействием температуры происходят процессы окислительной деструкции, при которых изменяются структура и весь комплекс свойств полимера.  [c.74]

Установлено, что даже при незначительных уровнях внешних нагрузок в изделиях из композиционных материалов возникают микротрещины, которые вместе с различными видами воздействий (влажность, температура) существенно снижают физико-механические свойства композиционных материалов. Трещина является источником концентрации напряжений, это приводит к снижению несущей способности эксплуатируемого изделия, особенно при переменных напряжениях. Вследствие различия показателей деформативности и коэффициентов линейного теплового расши-«решгя  [c.17]

Разрабатывая молекулярно-механическую теорию трения, проф. Крагельский И. В. предложил рассматривать образующуюся фрикционную связь между двумя трущимися телами как некоторое физическое тело, обладающее определенными свойствами, отличающимися от свойств обоих трущихся тел [179]. Это так называемое третье тело является, некоторого рода, связью, обладающей упруго-вязким характером. На свойства этой связи оказывают влияние состояние поверхности, величина давления между телами, время контактирования, скорость приложения нагрузки и т. п. Вследствие дискретного характера контактирования выступы, имеющиеся на поверхностях трения, сглаживаются или сменяются впадинами, т. е. материал в поверхностном слое при трении непрерывно передеформируется. Рассматривая область передеформирования как третье тело , можно считать, что силы внешнего трения обусловлены силами вязкого сдвига, возникающими в деформативной области обоих тел. В этой области происходят значительные пластические деформации, обусловленные возникновением в контактных точках высоких  [c.547]

Упорядочение структуры линейных полимеров при их ориентационной вытяжке ведет к анизотропии механических свойств, имеющей не только количественный, но и качественный характер. При растяжении вдоль направления ориентации прочность определяется силами химической связи в молекулах, которые при этом располагаются более или менее параллельно и однородно. При растяжении же в поперечном направлении прочность ориентированного полимера определяется только силами межмолекулярного взаимодействия, а эти силы значительно меньше первых. В этом случае можно принять в пленках расчетную схему ортогональной анизотропии. Для многих листовых материалов, толщина которых мала по сравнению с размерами листа (бумага, картон, искусственные кожи, ориентированные пленки), характерны значительные деформативность и реономность свойств.  [c.23]

Гибридизация композитов посредством армирования волокнами разных физико-механических типов (сортов) позволяет в ряде случаев добиваться оптимального соотношения между жесткостными и прочностными свойствами материала. Чаще всего, однако, использование в композите волокон различных сортов имеет своей целью снижение стоимости конструкционного материала за счет замешения части дорогостоящей арматуры более дешевыми ее видами. Кроме полиармированных композитов к гибридам следует отнести слоистые композиты, содержащие слои, изготовленные из различных материалов. Слоистые гибридные композиты применяются в конструкциях, к которым наряду с требованиями по несущей способности предъявляются дополнительные требования (например, по тепло- и звукоизоляции). Структурные особенности указанных видов гибридных композитов необходимо учитывать в процессе расчета их физико-механических характеристик (в частности, деформативных).  [c.5]

Подавляющее большинство известных решений задач оптимизации конструкций из композитов получено в детерминированной постановке. При этом стохастический характер моделей оптимизации, обусловленный стохастичностью физико-механических свойств композита, учитывается посредством интерпретации описывающих эти свойства параметров модели как статистически усредненных величин. В отношении деформативных характеристик конструкций такой подход представляется достаточно правомерным, поскольку указанные характеристики получаются в результате усреднения большого числа элементов конструкционного композита (представительных объемов, монослоев и т. д.). Однако такие факторы, как, например, геометрические несовершенства, индивидуальны на уровне конструкции и поэтому в модели оптимизации, вообще говоря, усреднены быть не могут. Один из разделов главы посвящен анализу стохастических моделей оптимизации и методам де-терминизации некоторых частных случаев таких моделей.  [c.7]

При определении прочностных и деформативных характеристик эти методы связаны с разрушением образца или конструкции. Однако имеется ряд методов, которые позволяют оценить физйко-механические свойства материалов в изделиях, не доводя их до разрушения. К ним можно отнести склерометрические методы, основанные на определении диаметра или глубины отпечатка, или величины отскока индентора при его воздействии на исследуемый материал. В настояшее время эти методы получили наибольшее распространение при испытании строительных материалов и конструкций, особенно бетонных и железобетонных [140]. Значительный интерес при исследовании свойств пластмасс представляет метод микротвердости, который получил развитие при металлографических исследованиях. Применение этого метода связано с определением глубины и размеров микроотпечатков индентора в виде алмазной пирамиды. При этом измерение микротвердости производится при приложении весьма малых нагрузок, что делает этот метод также удобным при испытании пластмасс.  [c.67]

Исследован комплекс физико-механических свойств композиционных материалов на основе эпоксддных и полиэфирных смол в зависимости от степени наполнешш, природы (силикатный й углерод-соде1жа1ций) наполнителей, действия жидкой агрессивной среды, а также кинетика изменения их прочностных и деформативных свойств при контакте с агрессивной средой.  [c.133]

Во-первых, в геометрии взаимодействия трущихся поверхностей. При внешнем трении соприкосновение двух твердых тел происходит в отдельных точках, контакт всегда дискретен и площадь, на которой возникает внешнее трение, зависит от приложенной нагрузки, входящей в явном или неявном виде в расчетные уравнения. При внутреннем трении поверхность касания непрерывна и не зависит от нагрузки. Во-вторых, внутреннее трение характеризуется ламинарным перемещением материала в направлении вектора относительной скорости. При внешнем трении материал перемещается в направлении, перпендикулярном к вектору относительной скорости. В третьих, при внешнем трении возникновение и разрушение связей должно локализироваться в тонком поверхностном слое, при внутреннем трении деформативная зона охватывает весь объем. Таким образом, необходимым условием для внешнего трения является наличие положительного градиента механических свойств каждого из трущихся тел по глубине. Для внутреннего трения, наоборот, необходимо наличие отрицательного градиента механических свойств.  [c.12]

На основании полученной зависимости понижения температуры стеклования Д от мольной концентрации отвердителей т (рис.) можно сделать вывод, что флексибилизаторы обладают более высокой пластифицирующей способностью, чем традиционные аминные отвердители. Эти данные согласуются с результатами физико-механических испытаний (табл. 2) и показывают перспективность применения таких отвердителей для повышения деформативных свойств композиций на основе эпоксидных смол.  [c.61]

Поскольку деформативностъ — это способность деформироваться, то деформативная приспособляемость — способность приспособляться к нагрузке или другим воздействиям за счет направленного деформирования. При этом деформативностъ детали и/или соединения — это свойство материала и геометрической формы детали и/или сопряжения деталей. Поэтому задача обеспечения деформативной приспособляемости сводится к выбору материала с соответствующими механическими характеристиками (в частности, модулем упругости) и к выбору геометрической формы. В основном эта сторона в качественном виде  [c.91]

В статическом состоянии на манжету действуют контактное давление, обусловленное деформативностью герметизирующего элемента при монтаже сила от натяга пружины избыточное давление герметизирующей среды. Таким образом, расчетная формула [12] для статической составляющей контактного давления может быть представлена в виде Чст = Чупр + Чпр Чдавл- где Чупр упругая составляющая контактного давления, создаваемая физико-механическими свойствами материала ГУ Чпр контактное давление, возникающее под действием пружины  [c. 7]

Экология строительных материалов

 Деформативные свойства. Силовое
воздействие на материал вызывает удаление,
сближение или сдвиг атомов. Способность
материала восстанавливать форму и объем
(твердые материалы) или только объем (жидкие
и газообразные материалы) после прекращения
действия сил называется упругостью. Для
кристаллических материалов упругость
вызывается силами притяжения между элементами,
образующими пространственную решетку.
Раздвинутые под воздействием механических
усилий элементы решетки после снятия
их стремятся возвратиться в первоначальное
положение.

 Свойство материала получать 
значительные упругие деформации 
под действием сравнительно небольших 
нагрузок и восстанавливать в 
основном размеры и форму после 
разгрузки называется эластичностью. 
Высокоэластичные материалы (резина,
поролон и др.) после снятия 
нагрузки восстанавливают первоначальные 
размеры и форму практически 
мгновенно.

 При превышении некоторого 
предельного значения напряжения,
развиваемого в материале, называемого 
пределом упругости, обнаруживается 
необратимая (пластическая) деформация.
Хрупкие материалы разрушаются, 
когда напряжение в них не 
достигает предела упругости.

 В упругой области деформация 
материала пропорциональна действующему 
напряжению (закон Гука). В соответствии 
с законом Гука  
  
где а — нормальное напряжение; Е — модуль
упругости при растяжении; е — относительное
удлинение.

 Модуль упругости определяет 
прочность межатомных связей, он 
взаимосвязан с рядом механических 
и физических свойств: прочностью,
твердостью, температурой плавления 
и др. Значения модуля упругости,
1 • 10′ МПа: для гранита 30—60;
бетона тяжелого 19—40; стекла оконного
48—83; сплавов алюминия 72; чугуна 80—160;
стали 200—220.

 Материалы, подвергнутые воздействию 
внешних сил, обладают способностью 
к самопроизвольному снятию внутренних 
напряжений. Это объясняется явлением 
релаксации — постепенным рассеиванием 
упругой энергии деформированного 
материала, переходом ее в теплоту. 
Период релаксации или время, 
в течение которого упругое 
напряжение спадает на определенную 
величину тр, для твердых тел очень
велик по сравнению с временем наблюдения,
а для жидкостей, наоборот, мал. Его выражают
отношением вязкости тела 1] к модулю упругости
Е. Под вязкостью (внутренним трением)
жидких тел понимают сопротивление их
течению, а твердых — сопротивление развитию
остаточной деформации под действием
внешних сил.

 Если время воздействия на 
жидкость деформирующей силы 
значительно меньше периода релаксации,
то жидкость ведет себя как 
упругое твердое тело. Можно было 
бы, например, ходить по воде, не 
погружаясь в нее, если бы 
время каждого шага не превышало 
периода релаксации для воды,
который составляет 10~15 с.

 Свойством, противоположным 
упругости, является пластичность—способность
материалов изменять под влиянием нагрузки
без разрушения форму и размеры и сохранять
их после прекращения воздействия нагрузки. Пластичность
— важнейшее технологическое свойство,
определяющее формуемость материалов.
Характерными примерами пластичных материалов
являются высококонцентрированные суспензии
извести, цемента, гипса, глины и других
минеральных веществ в воде, широко применяемых
для изготовления строительных изделий.
Пластичность таких суспензий тесно связана
со свойствами тонких слоев воды, прилегающих
к поверхности твердых частиц дисперсной
фазы.

 При приложении нагрузки 
выше предела упругости пластические 
деформации развиваются в некоторых 
кристаллических (металлы, сплавы 
и др.) и аморфных (стекло, асфальт 
и др.) материалах. Пластические деформации 
кристаллических материалов вызываются 
сдвигами внутри кристаллов, в 
результате чего одна часть 
кристалла перемещается по отношению 
к другой, изменяет свою форму 
и вытягивается в направлении 
деформации. Пластический сдвиг 
в кристаллах обусловлен перемещением 
дислокаций.

 С повышением температуры 
пластичность материалов возрастает.
Она возрастает также с уменьшением 
скорости деформирования, с переходом 
от ковалентной к металлической связи.
Для пластичных материалов по мере нагружения
наступает период, когда пластические
деформации продолжают развиваться несмотря
на постоянное напряжение. Наименьшее
напряжение, при котором материал деформируется
без заметного увеличения нагрузки, называется
пределом текучести. Текучесть — важнейшее
свойство структурированных дисперсных
систем, таких как цементное тесто, бетонная
смесь, битумы, полимеры и др. Вязкость
таких систем в отличие от обычных жидкостей
редко изменяется под действием внешних
сил.

 Для твердых материалов важным 
механическим свойством является 
ползучесть—медленное нарастание 
во времени пластической деформации 
материалов при силовых воздействиях,
меньших чем те, которые могут вызвать
остаточную деформацию при испытаниях
обычной длительности. Скорость ползучести
резко уменьшается с понижением температуры
и уменьшением напряжения. Деформация
ползучести материалов во многих случаях
нежелательна, так как она может вызвать,
например, увеличенные прогибы. При проектировании
конструкций это надо учитывать.

Прочностные свойства. Завершающей
стадией силового воздействия на материал
является его разрушение. Способность
материалов сопротивляться разрушению
называется прочностью. Прочность
характеризуется критическим напряжением,
при котором наступает разрыв сплошности
материала. Это напряжение называется
пределом прочности. Предел прочности
определяют обычно под действием статической
нагрузки, нарастающей в течение нескольких
минут. При изменении скорости роста нагрузки
и характера ее приложения (например, повторно-переменная
или динамическая нагрузка) прочность
изменяется. Она может существенно изменяться
также в зависимости от вида напряженного
состояния (растяжения, сжатия, изгиба,
кручения и др.).

 Определение предела прочности материалов
производится на стандартных цилиндрических,
кубических и других образцах.

 Из всех способов механических 
испытаний наибольшее распространение 
имеют испытания на растяжение 
и сжатие. Испытания производят 
с помощью специальных испытательных 
машин и прессов с механическим 
или гидравлическим приводом.

 Теоретическая прочность однородного 
материала характеризуется напряжением, 
необходимым для разделения двух 
примыкающих друг к другу слоев 
атомов. Она пропорциональна модулю 
упругости и поверхностной энергии 
твердого тела на 1 см2 и обратно пропорциональна
межатомному расстоянию. Прочность реальных
твердых тел в тысячи раз меньше прочности,
рассчитанной для идеального кристалла.
Это связано с дефектами в структуре, которые
развиваются в процессе деформации и становятся
местами концентрации напряжений. Прочность
материалов уменьшается с увеличением
их пористости, приводящей к уменьшению
количества связей между структурными
элементами и неравномерному распределению
нагрузки.

 Характерным для прочности 
реальных тел является так 
называемый масштабный фактор 
— зависимость прочности от 
размеров тела. При стандартных 
испытаниях материала на образцах 
различных размеров для приведения
результатов в сопоставимый вид используются
переводные коэффициенты. Масштабный
фактор объясняется в основном статистической
природой процессов разрушения, связанной
с влиянием неоднородностей макроструктуры
и дефектов материала на процесс возникновения
и развития трещин. С увеличением размеров
образцов вероятность неоднородностей
структуры возрастает и среднее значение
предела прочности материала уменьшается.

3.4 Физические свойства строительных
материалов.

Физические свойства характеризуются 
параметрами состояния материалов
или отношением их к действию физических
факторов: воды, температуры, электрического
тока, магнитного поля и др.

 Параметры состояния.  Важнейшими 
физическими параметрами состояния 
материалов являются плотность и пористость.

 Плотность определяется отношением
массы материала к его объему. Для строительных
материалов различают истинную и среднюю плотность. Истинная
плотность характеризует массу материала
т в единице объема, взятого в абсолютно
плотном состоянии, т. е. без пор и пустот
, а средняя плотность — в единице объема
с учетом последних

Для сыпучих материалов наряду со
средней плотностью зерен определяют
насыпную плотность, учитывающую межзерновую
пустотность.

 Истинная плотность большинства
неорганических материалов колеблется
в диапазоне 2200—3300 кг/, для стали она составляет
7600—7900, сплавов алюминия 2600—2900, полиэтилена 910—970 кг/. Средняя плотность материалов изменяется в широком диапазоне,
например, для наиболее легких пористых
пластмасс она составляет 10—20 кг/, и для плотных — 2000 кг/и более.

 Регулирование средней плотности 
достигается изменением пористости
— объема пор в единице объема материала.
Общую пористость можно найти по формуле
:.

Пористость материалов оказывает
существенное, а часто решающее влияние
на ряд других свойств: тепло-, электропроводность,
прочность, проницаемость и др. В широком
диапазоне значений пористости ее влияние
на свойства материалов описывается степенной
функцией вида  

 . где и — величины, характеризующие
свойства соответственно пористого и беспористого
материала; — коэффициент (для предела прочности и для Ударной
вязкости = )

Влияние пор на свойства материалов
не только связано с их относительным 
объемом, но и зависит также от
их размера, формы, открытого или 
закрытого характера поровых 
каналов. Например, при равной общей 
пористости материалы с большим 
объемом закрытых пор являются более 
морозостойкими. Увеличение объема открытых
пор способствует повышению звукопоглощения.
Строительно-технические свойства
материалов улучшаются при мелкопористом 
строении и равномерном распределении 
пор. Для определения пористой структуры 
материалов применяют методы, основанные
на вдавливании в поры ртути, пропитке
образцов жидкостью с последующим 
ее вытеснением, откачивании воздуха 
из пор и др.

 Для дисперсных материалов 
важным параметром состояния 
является удельная поверхность, 
т. е. поверхность, отнесенная 
к единице объема или массы 
материала. Удельная поверхность 

изменяется обратно пропорционально 
размеру частиц. Можно вычислить,
например, для частиц шарообразной
формы

где — радиус частицы.

 С увеличением удельной поверхности 
материалов возрастает их внутренняя 
энергия и реакционная способность. 
Удельную поверхность дисперсных 
материалов измеряют определением 
сопротивления слоя порошка проходящему 
току воздуха, а также адсорбционным 
и другими методами.

Гигроскопичность — способность материалов
поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичность
зависит от химического состава 
материала и характера его 
пористости. Одни материалы энергично 
притягивают своей поверхностью
молекулы воды (их называют гидрофильными),
другие отталкивают воду (их относят 
к гидрофобным). Последние стойко сопротивляются
действию водной среды. Материалы с одинаковой
пористостью, но имеющие более мелкие
поры и капилляры, оказываются более гигроскопичными,
чем крупнопористые.

При применении пористых теплоизоляционных 
материалов необходимо учитывать, что 
в определенных эксплуатационных условиях
(повышенная влажность) за счет повышенной
их гигроскопичности может увеличиться 
теплопроводность ограждающих конструкций 
зданий.

Гигроскопическая влага находится 
в адсорбционносвязанном
состоянии и удерживается в порах
материала. Однако после прекращения контакта
материала с окружающей влажной средой
гигроскопическая влага частично или
полностью испаряется.

Влажность материала определяется
содержанием влаги, отнесенной к 
массе материала в сухом состоянии.
Влажность зависит как от свойств 
самого материала (пористости, гигроскопичности),
так и от окружающей его среды (влажность
воздуха, наличие контакта с водой). Влажность
учитывают при транспортировке, хранении
и приемке материалов по массе. Она влияет
на теплопроводность, устойчивость к гниению
и некоторые другие свойства материалов.

Водопоглощение
— способность материала впитывать воду
и удерживать ее. Величина водопоглощения определяется
разностью массы образца в насыщенном
водой и абсолютно сухом состояниях. Различают
объемное водопоглощение, когда указанная
разность отнесена к объему образца, и
массовое водопоглощение, когда эта разность
отнесена к массе сухого образца.

Водопоглощение различных материалов
колеблется в широких пределах. Например,
массовое водопоглощение керамических
плиток для полов не выше 4 %, керамического
кирпича — 8-20, тяжелого бетона -2-3, гранита
— 0,3-0,8, а пористых теплоизоляционных материалов
(торфоплит) — выше 100 %.

Насыщение материалов водой отрицательно
влияет на их основные свойства: увеличивает 
среднюю плотность и теплопроводность,
понижает прочность.

Влагоотдача — свойство материала 
отдавать влагу окружающему воздуху,
характеризуемое количеством воды
(в процентах по массе или объему
стандартного образца), теряемой материалом
в сутки при относительной 
влажности окружающего воздуха 60
% и температуре 20 °С.

Величина влагоотдачи имеет 
большое значение для многих материалов
и изделий, например, стеновых панелей 
и блоков, мокрой штукатурки стен, которые 
в процессе возведения здания обычно
имеют повышенную влажность, а в 
обычных условиях благодаря влагоотдаче 
высыхают. Вода испаряется до тех пор,
пока не установится равновесие между 
влажностью материала стен и влажностью
окружающего воздуха, т. е. пока материал
не достигнет воздушно-сухого состояния.

Водостойкость — способность
материала сохранить свою прочность после
насыщения водой. Она характеризуется
коэффициентом размягчения, который определяется
как отношение предела прочности (при
сжатии) материала в насыщенном водой
состоянии к пределу прочности в сухом
состоянии. Коэффициент размягчения для
разных материалов колеблется от 0 (необожженные
глиняные материалы) до 1 (стекло, сталь,
битум). Мате­риалы с коэффициентом размягчения
не менее 0,8 относят к водостойким. Их разрешается
использовать в строительных конструкциях,
находящихся в воде и в местах с повышенной
влажностью.

Свойства сталей — Металлы и металлические изделия

Свойства сталей

Сталь наряду с бетонами — главнейший конструкционный материал. Широкому использованию в строительстве сталь обязана высоким физико-механическим показателям, технологичности (возможности получения из нее конструкций различными методами) и большими объемами производства. Ниже рассмотрены основные технические характеристики стали и приведены числовые значения некоторых характеристик сталей различного состава и строения.

Плотность стали — 7850 кг/м , что приблизительно в 3 раза выше плотности каменных материалов (например, обычный тяжелый бетон имеет плотность 2400 ± 50 кг/м).

Прочностные и деформативные свойства стали обычно определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение — деформация». Сталь, как и другие металлы, ведет себя как упругопластичный материал. В начале испытаний деформации у стали пропорциональны напряжениям. Максимальное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называют пределом пропорциональности ау (при этом напряжении остаточные деформации не должны превышать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напряжения начинает проявляться текучесть стали — быстрый рост деформаций при небольшом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют пределом текучести ат.

Затем наступает некоторое замедление роста деформаций при подъеме напряжений («временное упрочнение»), после чего наступает разрушение образца, называемое временным сопротивлением ав, что является фактическим пределом прочности стали (Rp).

Рис. 7.2. Диаграмма испытания стали (1 — низкоуглеродистой; 2 — высокоуглеродистой) на растяжение

Испытание на растяжение является основным при оценке механических свойств сталей. Модуль упругости стали составляет 2,1 * 105 МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера (закаленного шарика или алмазной пирамидки) в испытуемую сталь. Твердость вычисляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цементацией — насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закалкой токами высокой частоты).

Ударная вязкость — свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у СтЗ ударная вязкость при +20 °С составляет 0,5… 1 МДж/м2, а при -20 °С – 0,3…0,5 МДж/м2.

Технологические свойства стали показывают ее способность принимать определенные деформации, аналогичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный загиб.

При испытании на загиб (рис. 7.3) определяются не усилия для осуществления деформации, а условия (угол загиба, диаметр оправки), при которых возможно протекание деформации без нарушения сплошности образца (т. е. без появления трещин и расслоения). Чем пластичнее сталь, тем меньше диаметр оправки при испытаниях (см. табл. 7.2).

Для стальной проволоки подобные испытания проводятся на установке, позволяющей перегибать проволоку на заданный угол. Мерой пластичности служит число перегибов проволоки до разрушения.

Рис. 7.3. Схема испытаний на загиб: а — исходное положение; 6 — загиб на 180° с оправкой; в — загиб на 180° без оправки

Теплотехнические свойства сталей в малой степени зависят от ее состава.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и составляет около 70 Вт/(м * К), т. е. в 50…70 раз выше, чем у бетона.

Коэффициент линейного термического расширения стали составляет 10 * 10-6 К-1, т. е. практически равен КЛТР бетона.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500…1300 °С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании в ней происходят полиморфные превращения, приводящие к снижению прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 °С; после достижения температуры 500…600 °С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходимо защищать от действия огня, например, оштукатуриванием цементными растворами или созданием теплоизоляционных негорючих покрытий.

Читать далее:
Цветные металлы и сплавы
Коррозия металлов и способы защиты от нее
Соединение стальных конструкций
Стальная арматура
Стальной прокат и стальные конструкции
Термическая обработка стали
Углеродистые и легированные стали
Основы технологии черных металлов
Строение и свойства железоуглеродистых сплавов
Общие сведения о металлах и сплавах

Свойства строительных материалов и их значение

В век современных технологий строительные материалы играют важную роль. Хотя строительство является их наиболее распространенным применением, ни одна область машиностроения не была бы полной без этих материалов. Кроме того, промышленность строительных материалов вносит значительный вклад в нашу национальную экономику, поскольку ее продукция влияет как на скорость, так и на качество строительных работ.

В связи с широким спектром применения для зданий и сооружений, а также разнообразием производственных процессов к строительным материалам предъявляется широкий спектр требований, в том числе прочность при низких и высоких температурах, стойкость к обычной и морской воде, кислотам и щелочам, и так далее.

Свойства строительных материалов используются для разделения их на отдельные группы. Свойства строительных материалов определяются их основным применением. Только глубокое понимание свойств материала позволяет сделать рациональный выбор материала для конкретных условий эксплуатации.

Строительные материалы обычно имеют два свойства:

• Физические свойства
• Химические свойства

Рассмотрим свойства этих строительных материалов более подробно.

Физические свойства строительных материалов

Существует около 20 физических свойств строительных материалов, по которым можно сделать выбор строительных материалов.

• плотность
• навалочная плотность
• индекс плотности
• Удельный вес
• Удельный гравитация
• Абсолютная удельная гравитация
• Очень специфический гравитация
• пористость
• пористость
• Гигроскопичность
• Водопоглощение
• Сопротивление выветривания
• Вода Проницаемость
• Морозостойкость
• Теплопроводность
• Теплопроводность
• Термальная Емкость
• Огнестойкость
• Refractority
• Химическая стойкость
• Прочность

Плотность (ρ)

Масса единицы объема однородного материала называется плотностью.Обозначается

Где,

M = масса (г)
V = объем (см³)

На изображении ниже показана плотность некоторых наиболее распространенных строительных материалов, используемых в строительной отрасли.

Объемная плотность (ρь)

Масса единицы объема материала в его естественном состоянии называется объемной плотностью. Он рассчитывается по следующей формуле:

Где,

M = масса образца (кг)
V = объем образца в естественном состоянии (м³)

Насыпная плотность меньше плотности большинства материалов, но эти параметры почти идентичны для жидкостей и таких материалов, как стекло и плотные каменные материалы.Объемная плотность оказывает большое влияние на такие свойства, как прочность и теплопроводность.

На изображении ниже показан объемный вес некоторых строительных материалов:

Индекс плотности (ρо)

Индекс плотности представляет собой отношение насыпной плотности к плотности. Он выражает степень, в которой объем материала заполнен твердым веществом. Поскольку абсолютно плотных тел в природе не существует, практически для всех строительных материалов показатель плотности всегда меньше 1,0.

Удельный вес (γ)

Удельный вес, также известный как удельный вес, представляет собой вес материала на единицу объема.

Где,

γ = удельный вес (кН/м³)
ρ = плотность материала (кг/м)
g = плотность (м/с²)

В гражданском строительстве удельный вес может использоваться для определения веса конструкции, предназначенной для выдерживания определенных нагрузок при сохранении целостности и ограничениях по деформации. Он также используется как свойство жидкости в гидродинамике.

Удельный вес (Gs)

Удельный вес твердых частиц материала – это отношение веса заданного объема твердых веществ к весу равного объема воды при температуре 4°C.

Абсолютный удельный вес (Ga)

Истинный или абсолютный удельный вес определяется путем исключения как проницаемых, так и непроницаемых пространств (пустот) при определении истинного объема твердых тел. Абсолютный удельный вес имеет мало практического применения.

Кажущийся удельный вес (Гм)

Кажущийся удельный вес или массовый удельный вес рассчитываются с учетом как проницаемых, так и непроницаемых пустот при расчете истинного объема твердых тел. Это отношение массовой плотности мелкозернистого материала к массовой плотности воды.

Пористость (n)

Степень рассеяния пор по объему вещества называется пористостью. Он рассчитывается путем деления объема пор на объем образца.

Пористость является хорошим показателем объемной плотности материала, теплопроводности и долговечности, среди прочего.

Коэффициент пустотности (e)

Коэффициент пустотности – это объем пустот, разделенный на объем твердых веществ. Когда заполнитель выливается в контейнер любого типа, не все пространство внутри контейнера будет заполнено.

Термин «пустоты» относится к пустым пространствам между частицами заполнителя. На процент пустот, как и на удельный вес, влияет плотность заполнителя и количество содержащейся в нем влаги.В большинстве случаев недействительные суждения выносятся в отношении материала, который был измерен в разобранном виде.

Гигроскопичность

Способность материала собирать водяной пар из воздуха называется гигроскопичностью. На него влияют температура и относительная влажность воздуха, а также тип, количество и размер пор, а также состав вещества.

Водопоглощение

Водопоглощение относится к способности материала поглощать и удерживать воду.Он представлен в процентах от массы или объема сухого материала.

Где,

M1 = масса насыщенного материала (г)
M = масса сухого материала (г)
V = объем материала (мм³)

Стойкость к атмосферным воздействиям

Устойчивость к атмосферным воздействиям относится к способности материала выдерживать чередующиеся влажные и сухие условия в течение длительного периода времени без значительной деформации или потери механической прочности.

Читайте также: Керамика: Свойства и классификация керамики
Читайте также: Древесина – классификация, виды, дефекты древесины

Водопроницаемость

Водопроницаемость относится к способности материала пропускать через себя воду под давлением.Стекло, сталь и битум непроницаемы для воды.

Морозостойкость

Морозостойкость относится к способности материала выдерживать многократное замораживание и оттаивание со значительной потерей механической прочности. В этих условиях вода, удерживаемая в порах, при замерзании расширяется в объеме до 9%. В результате стенки пор подвергаются значительному давлению и могут разрушиться.

Теплопроводность

Способность материала передавать тепло известна как теплопроводность.Влияние имеют тип материала, его структура, пористость, характер пор и средняя температура, при которой происходит теплообмен. Поскольку воздух внутри пор способствует теплопередаче, материалы с большими порами обладают высокой теплопроводностью. Теплопроводность у влажных материалов выше, чем у более сухих. Поскольку материалы, используемые в стенах отапливаемых сооружений, обладают этим свойством, это является основным источником беспокойства. Это повлияет на жилую недвижимость.

Теплоемкость

Теплоемкость – это способность материала поглощать тепло, измеряемая его удельной теплоемкостью.Теплоемкость важна при расчете термостойкости отапливаемых стен зданий и нагревания материала, например при заливке бетона зимой.

Огнестойкость

Способность материала выдерживать действие высоких температур без значительной деформации или потери прочности называется огнестойкостью. При воздействии огня или высоких температур в течение длительного периода времени огнеупорные материалы обгорают, тлеют и с трудом воспламеняются, но горят или тлеют только в присутствии пламени.

Огнеупорность

Способность материала выдерживать длительное воздействие высоких температур без плавления или потери формы называется огнеупорностью. Огнеупорные материалы могут выдерживать температуры 1580°C и выше в течение длительных периодов времени. Легкоплавкие материалы могут выдерживать температуры ниже 1350°C, а тугоплавкие материалы могут выдерживать температуры в диапазоне от 1350°C до 1580°C.

Химическая стойкость

Как следует из названия, химическая стойкость описывает способность материала противостоять кислотам, щелочам, морской воде и газам.Природные каменные материалы, такие как известняк, мрамор и доломит, разлагаются даже слабыми кислотами, древесина устойчива к кислотам и щелочам, а битум распадается под воздействием щелочных растворов.

Долговечность

Относится к способности материала противостоять атмосферным и другим факторам.

Механические свойства строительных материалов

Прочность, сопротивление сжатию, растяжению, изгибу, удару, твердость, пластичность, эластичность и сопротивление истиранию — все это важные механические свойства строительных материалов.

Прочность

Прочность относится к способности материала выдерживать напряжения, вызванные нагрузками, наиболее типичными из которых являются сжатие, растяжение, изгиб и удар. Актуальность исследования множественной прочности подчеркивается тем фактом, что такие материалы, как камни и бетон, обладают высокой прочностью на сжатие, но низкой прочностью на растяжение, изгиб и ударную вязкость.

Твердость

Способность вещества сопротивляться проникновению более твердого тела называется твердостью.Шкала Мооса используется для определения твердости материала. Это список из десяти минералов, отсортированных в порядке возрастания твердости. Вдавливание стального шарика используется для определения твердости металлов и полимеров.

9

2

7 Таблица показаны МОСМ

Elasticity

Эластичность относится к способности материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки.Деформация твердых тел пропорциональна напряжению в пределах их упругости. Модуль упругости – это отношение единицы напряжения к единице деформации. Его высокое значение указывает на материал с очень небольшими искажениями.

Пластик

Когда материал нагружен, он может изменять форму без образования трещин и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Такое поведение вещества называется пластичностью. Сталь, медь и горячий битум являются одними из примеров пластиковых материалов.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Свойства строительных материалов, используемых в строительстве, и их значение

🕑 Время чтения: 1 минута

Строительные материалы или строительные материалы являются основным требованием в наш век технологий. Существует множество видов строительных материалов, используемых для различных строительных работ.

Свойства строительных материалов

Чтобы материал считался строительным, он должен обладать необходимыми техническими свойствами, подходящими для строительных работ.Эти свойства строительных материалов определяют их качество и производительность, а также помогают определить применение этих материалов.
Такие свойства строительных материалов классифицируются следующим образом.

• Физические свойства
• Механические свойства
• Химические свойства
• Электрические свойства
• Магнитные свойства
• Термические свойства

Физические свойства строительных материалов

Это свойства, необходимые для оценки качества и состояния материала без какой-либо внешней силы.Физические свойства инженерных материалов следующие.

• Насыпная плотность
• Пористость
• Прочность
• Плотность
• Индекс плотности
• Удельный вес
• Огнестойкость
• Морозостойкость
• Устойчивость к атмосферным воздействиям
• Стойкость к растрескиванию
• Водопоглощение
• Водопроницаемость
• Гигроскопичность
• Коэффициент размягчения
• Огнеупорность

Объемная плотность строительных материалов

Насыпная плотность — это отношение массы к объему материала в его естественном состоянии, включая пустоты и поры.Выражается в кг/м ³ . Объемная плотность влияет на механические свойства материалов, такие как прочность, теплопроводность и т. д. Значения объемной плотности некоторых технических материалов приведены ниже.

Пористость строительных материалов

Пористость дает объем материала, занимаемый порами.Это отношение объема пор к объему материала. Пористость влияет на многие свойства, такие как теплопроводность, прочность, объемная плотность, долговечность и т. д.

Прочность строительных материалов

Свойство материала противостоять совместному действию атмосферных и других факторов называется долговечностью материала. Если материал более прочный, он прослужит дольше. Стоимость обслуживания материала зависит от долговечности.

Плотность строительных материалов

Плотность – это отношение массы материала к его объему в однородном состоянии.Практически на все физические свойства материалов влияют значения их плотности. Ниже приведены значения плотности некоторых строительных материалов.

Индекс плотности

Отношение насыпной плотности материала к его плотности называется индексом плотности.Следовательно, он дает объем твердого вещества в материале. В природе полностью плотный материал не существует, поэтому индекс плотности всегда меньше 1 для любого строительного материала.

Удельный вес строительных материалов

Удельный вес – это отношение массы данного вещества к массе воды при 4 ^o С для равных объемов. Удельный вес некоторых материалов указан ниже.

Огнестойкость строительных материалов

Способность противостоять огню без изменения формы и других свойств. Огнестойкость материала проверяется совместным действием воды и огня. Огнеупорные материалы должны обеспечивать большую безопасность в случае пожара.

Морозостойкость

Способность материала сопротивляться замораживанию или оттаиванию называется морозостойкостью.Это зависит от плотности и насыпного веса материала. Более плотные материалы будут иметь большую морозостойкость. Влажные материалы обладают низкой морозостойкостью, при замерзании теряют прочность и становятся хрупкими.

Устойчивость к атмосферным воздействиям

Свойство материала противостоять всем атмосферным воздействиям без потери прочности и формы. Выветривание влияет на долговечность материала. Например, коррозия железа возникает из-за атмосферных воздействий. Для стойкости этому красочному слою обеспечена.

Стойкость к растрескиванию

Способность материала выдерживать определенное количество циклов резких перепадов температуры без разрушения называется сопротивлением выкрашиванию. Это зависит от коэффициента линейного расширения.

Водопоглощение

Способность материала поглощать и удерживать в себе воду называется водопоглощением. Выражается в % от массы сухого материала. Это зависит от размера, формы и количества пор материала.

Водопроницаемость

Способность материала пропускать воду называется водопроницаемостью.Плотные материалы, такие как стеклянные металлы и т. д., называются непроницаемыми материалами, которые не пропускают воду.

Гигроскопичность

Гигроскопичность – это свойство материала поглощать водяной пар из воздуха. Это зависит от относительной влажности, пористости, температуры воздуха и т.д.

Коэффициент размягчения

Коэффициент размягчения материала – это отношение прочности на сжатие насыщенного материала к его прочности на сжатие в сухом состоянии. Это влияет на прочность водопоглощающих материалов, таких как почва.

Огнеупорность

Свойство материала, который не может плавиться или терять форму при длительных высоких температурах (1580 ^o С и выше).
Пример: огнеупорный материал является огнеупорным материалом.

Механические свойства строительных материалов

Механические свойства материалов выясняют путем приложения к ним внешних сил. Это очень важные свойства, которые отвечают за поведение материала в его работе. Механические свойства,

• Прочность
• Твердость
• Эластичность
• Пластичность
• Хрупкость
• Усталость
• Ударная вязкость
• Стойкость к истиранию
• Ползучесть

Прочность строительных материалов

Способность материала сопротивляться разрушению под действием действующих на него нагрузок называется прочностью.Нагрузка может быть сжимающей, растягивающей или изгибающей. Он определяется путем деления предельной нагрузки, воспринимаемой материалом, на площадь его поперечного сечения. Прочность – важное свойство любых строительных материалов. Так, для обеспечения максимального запаса прочности для материалов предусмотрен запас прочности, который выбирают в зависимости от характера работ, качества материала, экономических условий и т.д.

Твердость строительных материалов

Свойство материалов сопротивляться царапанию телом пастуха.Шкала MOHS используется для определения твердости материалов. Твердость наиболее важна для принятия решения об использовании конкретного заполнителя. Это также влияет на работоспособность.

Эластичность строительных материалов

Способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размер после снятия нагрузки известна как эластичность, а материал называется эластичным материалом. Идеально эластичные материалы подчиняются закону Гука, согласно которому напряжение прямо пропорционально деформации. Что дает модуль упругости как отношение единичного напряжения к единичной деформации.Чем выше значение модуля упругости, тем ниже деформации.

Пластичность

Когда к материалу прикладывается нагрузка, если он будет подвергаться остаточной деформации без образования трещин и сохранять эту форму после снятия нагрузки, то говорят, что материал пластичен, а это свойство называется пластичностью. Они обеспечивают устойчивость к изгибам, ударам и т. д.
Примеры: сталь, горячий битум и т. д.

Хрупкость

Когда материал подвергается нагрузке, если он внезапно выходит из строя, не вызывая деформации, тогда он называется хрупким материалом, а это свойство называется хрупкостью.Примеры: бетон, чугун и т.д.

Усталость

Если материал подвергается повторяющимся нагрузкам, то разрушение происходит в некоторой точке, которая ниже точки разрушения, вызванной постоянными нагрузками. Такое поведение известно как усталость.

Ударная вязкость

Если материал подвергается внезапным нагрузкам и подвергается некоторой деформации, не вызывая разрыва, это называется ударной вязкостью. Обозначает прочность материала.

Стойкость к истиранию

Потеря материала из-за трения частиц во время работы называется истиранием.Устойчивость материала к истиранию делает его прочным и обеспечивает долгий срок службы.

Ползучесть

Деформация ползучести, вызванная постоянными нагрузками в течение длительного времени. Это зависит от времени и происходит очень медленно. В нормальных условиях он практически незначителен. Но в условиях высоких температур ползучесть происходит быстро.

Химические свойства строительных материалов

Свойства материалов против химических воздействий или химических комбинаций называются химическими свойствами. И они

• Химическая стойкость
• Коррозионная стойкость

Химическая стойкость строительных материалов

Способность строительных материалов сопротивляться воздействию химических веществ, таких как кислоты, соли и щелочи, известна как химическая стойкость.Подземные сооружения, морские сооружения и т. д. должны быть построены с высокой химической стойкостью.

Коррозионная стойкость

Образование ржавчины (оксида железа) в металлах, когда они подвергаются воздействию атмосферы, называется коррозией. Поэтому металлы должны быть устойчивы к коррозии. Для повышения коррозионной стойкости следует принять соответствующие меры. В противном случае это повредит всю конструкцию.

Электрические свойства строительных материалов

Свойства материала проводить или сопротивляться электричеству через них являются электрическими свойствами материала.Например, дерево обладает большим электрическим сопротивлением, а нержавеющая сталь является хорошим проводником электричества.

Магнитные свойства строительных материалов

Магнитные свойства материалов, такие как проницаемость, гистерезис и т. д., требуются в случае генераторов и т. д. Железо является магнитным материалом, а алюминий — немагнитным материалом.

Тепловые свойства строительных материалов

• Теплоемкость
• Теплопроводность
• Удельное тепловое сопротивление
• Удельная теплоемкость

Теплоемкость строительных материалов

Теплоемкость — это свойство материала поглощать тепло, и для этого необходимо спроектировать надлежащую вентиляцию.Это влияет на термостойкость стен. Он выражается в J/N ^o C и рассчитывается по приведенной ниже формуле.
Теплоемкость, T = [H/(M(T ₂ — T ₁ ))]
Где H = количество теплоты, необходимое для повышения температуры от T ₁ до T ₂
T ₁ = Начальная температура
T ₂ = Конечная температура
M = масса материала в Н.

Теплопроводность

Количество теплоты, переданное через единицу площади образца с единицей толщины в единицу времени, называется теплопроводностью.Измеряется в кельвинах. Это зависит от структуры материала, пористости, плотности и влажности. Высокопористые материалы, влажные материалы имеют большую теплопроводность.

Удельное тепловое сопротивление

Это способность сопротивляться теплопроводности. А это обратная величина теплопроводности. При умножении на толщину материала получается тепловое сопротивление. Удельное тепловое сопротивление грунта колеблется от 30 до 500 ⁰ Кл-см/Вт.

Удельная теплоемкость

Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 Н материала на 1 ^o °С.Удельная теплоемкость полезна, когда мы используем материал в зонах с высокой температурой. Ниже приведены удельные теплотворные способности некоторых конструкционных материалов.

Подробнее: Типы строительных материалов, используемых в строительстве, и их свойства

Свойство деформации — обзор

IV Структурный анализ

Структурный анализ служит для определения прочности конструкции и свойств деформации при различных нагрузках, воздействующих на спутник в течение всего времени. фазы его жизни.На самом раннем этапе проектирования структурные компоненты представлены простыми балками, колоннами, оболочками и мембранами, чтобы определить их размеры и толщину с учетом наиболее критических нагрузок в сочетании со свойствами используемых материалов. На более поздних этапах проектирования структура представлена ​​моделью FEM. На рис. 12а показан пример FEM-модели спутника. В ходе разработки МКЭ эволюционирует от простой модели до очень детализированной, включающей более 10 000 элементов.Помимо общей модели спутника, подконструкции и элементы моделируются с использованием более мелких элементов для детального определения распределения напряжений и характеристик смещения. Модели часто обновляются, чтобы отразить фактические результаты статических и динамических испытаний.

РИСУНОК 12. МКЭ-модель рентгеновской обсерватории. (а) Модель 8870 Element, (б) Первая форма собственных колебаний.

Статический анализ позволяет получить информацию о распределении напряжений и деформаций при различных стартовых нагрузках и распределениях температуры на орбите.Анализ FEM, применяемый к статическому анализу, включает простое линейное алгебраическое уравнение, определяемое как

[K]{δ}={f},

, где [ K ],{δ} и { f } — жесткость матрицы, узловых перемещений и внешних сил соответственно. Деформации и напряжения вычисляются последовательно по формуле

{ε}=[B]{δ}e{σ}=[D]{ε},

, где {δ} _e — узловые смещения элемента, {ε } и {σ} — деформации и напряжения элемента.

Прежде всего, конструкция должна иметь достаточный запас прочности при комбинированных стационарных перегрузках, применяемых к узлам крепления ракеты-носителя.В этом случае равномерно распределенное ускорение, эквивалентное коэффициенту перегрузки, обеспечивает внешнюю силу { f }. Однако, когда конструкция реагирует на динамические нагрузки, особенно на синусоидальные возбуждения, конструкция подвергается распределенным значениям ускорения. Реакции могут привести к более высоким локальным нагрузкам, чем те, которые определяются статическими нагрузками, приложенными к интерфейсу. Следовательно, результаты динамического анализа также необходимо учитывать при детальном проектировании дополнительных структур.

Динамический анализ основан на уравнениях движения, выраженных в матричной форме как

[M]{δ¨}+[C]{δ˙}+[K]{δ}={F(t)},

, где [ M ] и [ C ] — масса и матрица демпфирования соответственно, а { F ( t )} — внешние силы, зависящие от времени. Динамический анализ сначала решает проблему собственных значений, приравнивая правую часть уравнения к нулю, чтобы выяснить собственные частоты, связанные с собственными модами.На рис. 12б показана форма собственных колебаний. Затем идентифицируются динамические реакции на изменяющиеся во времени нагрузки либо путем прямого интегрирования уравнений движения, либо путем использования собственных значений и режимов.

Запас прочности MS определяется как

MS=(допустимое напряжение)/(приложенное напряжение Xкоэффициент безопасности)−1

Все MS должны быть положительными при предельных нагрузках.

Когда проектные работы будут продолжены, потребуется подробная история нагрузки на космический корабль для окончательной доработки проекта конструкции.Это делается совместно с ракетой-носителем с помощью связанного анализа нагрузки, когда математические модели как ракеты-носителя, так и космического корабля сопрягаются вместе для анализа реакции на типичные истории нагрузки при различных событиях во время последовательности запуска. События, учитываемые при анализе сопряженной нагрузки, включают отрыв, порыв ветра, максимальное динамическое давление, синусоидальное изменение тяги двигателя (POGO) и разделение ступеней. Математическая модель КА передается на борт ракеты-носителя в виде полных МКЭ-матриц или сокращенной динамической модели, учитывающей собственные частоты и моды.Реакционные ускорения элементов космического корабля в каждом событии стартовой последовательности более детально определяют реальные динамические нагрузки. Часто анализируемые таким образом критические нагрузки отличаются, особенно во вторичной конструкции, от тех, которые ранее определялись коэффициентами нагрузки или простыми реакциями космического корабля. Анализ связанных нагрузок обычно приводит к менее серьезным нагрузкам, чем те, которые предполагались ранее.

Строительные материалы — ферровиал

Что такое строительные материалы?

Строительные материалы – это сырье или, чаще, готовые изделия, используемые при строительстве зданий или инженерных сооружений.

Каковы характеристики и свойства строительных материалов?

Строительные материалы используются в больших количествах, поэтому они должны производиться из обильного недорогого сырья. Вот почему большинство строительных материалов изготавливается из широко доступных материалов, таких как песок, глина и камень.

Требуемые производственные процессы также должны потреблять мало энергии и не должны быть чрезмерно сложными. Вот почему стекло значительно дороже кирпича, даже несмотря на то, что оба они производятся из такого распространенного сырья, как песок и глина соответственно.

Строительные материалы бывают разных видов, как и их характеристики, но одно неизменно среди них: они долговечны. В зависимости от их предполагаемого использования они также должны соответствовать другим требованиям, таким как твердость, механическая стойкость, огнестойкость или простота очистки.

Как правило, ни один строительный материал не отвечает одновременно всем требуемым требованиям; Архитектура, инженерия и другие дисциплины, связанные со строительством, несут ответственность за комбинирование материалов для адекватного удовлетворения требований каждого проекта.

Чтобы правильно использовать и комбинировать строительные материалы, проектировщики должны знать их свойства. Характеристики строительных материалов могут варьироваться от производителя к производителю, но они всегда должны соответствовать минимальным требованиям. Листы спецификаций для каждого продукта, подготовленные производителями, должны учитываться на этапе разработки проектов.

Различные свойства материалов включают следующее:

Плотность: отношение между массой и объемом

Гигроскопичность: способность впитывать воду

Коэффициент расширения: изменение размера в зависимости от температуры

Теплопроводность: легкость, с которой материал пропускает тепло

Механическая стойкость: способность материалов выдерживать нагрузки

Эластичность: способность восстанавливать первоначальную форму при снятии силы

Пластичность: остаточная деформация материала под действием нагрузки или силы

Жесткость: способность материала сопротивляться деформации

Положение о строительных материалах

В европейских странах строительные материалы регулируются рядом норм и правил, определяющих характеристики, которым они должны соответствовать, и область их применения.

Цель этого регламента двояка: с одной стороны, он обеспечивает минимальный уровень качества в строительстве; с другой стороны, это позволяет архитекторам и инженерам более точно знать поведение и характеристики используемых материалов.

Наиболее широко используемыми международными стандартами для регулирования строительных материалов являются стандарты ISO. В Испании AENOR является органом по сертификации материалов.

Какие существуют виды строительных материалов?

В зависимости от сырья, используемого для производства, строительные материалы можно разделить на несколько групп:

Камень

Производится из природных пород.Камень можно использовать непосредственно без обработки или в качестве сырья для создания других материалов. Типы камня и его производных, наиболее часто используемые в строительстве, включают гранит, мрамор, известняк, сланец, песчаник, гравий, известь, гипс, цемент, раствор, бетон, песок, стекло.

Керамика

Глина химически подобна песку: кроме диоксида кремния содержит оксиды алюминия и воду; однако размер его частиц намного мельче, и во влажном состоянии он пластичен по консистенции.При смешивании с пылью и другими элементами из почвы глина образует грязь, материал, который используется по-разному. Когда глину нагревают до высоких температур (900 °C или выше), она затвердевает, создавая керамические материалы, такие как кирпич, кровельная черепица, керамогранит, керамическая плитка и т. д.

Металлик

Наиболее часто используемыми металлами являются железо и алюминий. Первый легирован углеродом, чтобы получить

.

Сталь

, которая используется в конструкциях сама по себе или с бетоном для создания железобетона.Другими металлами, используемыми в строительстве, являются медь, цинк и титан.

Органический

В первую очередь древесина и ее производные, хотя также используются (или использовались в истории строительства) и другие органические растительные элементы, такие как солома, бамбук, пробка, лен, текстильные элементы или даже шкуры животных.

Синтетика

В основном пластмассы, получаемые из нефти, хотя их также часто можно синтезировать. Они широко используются в строительстве из-за их неизменной природы, что также делает их очень неэкологичными из-за сложности их переработки.Используются также смолы и другие полимеры, а также синтетические продукты разного рода. Синтетические материалы используются в широком спектре продуктов, таких как вяжущие вещества, герметики, гидроизоляторы и изоляторы, а также в виде красок, эмалей и лаков.

Интересные факты об эволюции строительных материалов

На протяжении веков Великая пирамида в Гизе (2560 г. до н.э.) была самым высоким сооружением в мире. Он демонстрирует один из самых важных вкладов в дизайн любого здания: модуляцию.Камни были распилены по размерам, позволяющим их транспортировать и размещать. В настоящее время все строительные материалы модулируются для облегчения сборки и предотвращения отходов.

В Древней Месопотамии использовался другой материал: кирпич, из которого строились первые города. Нанесение эмалей на кирпич — один из первых примеров интеграции пластика. В Мезоамерике свидетельства существования пирамид свидетельствуют о навязчивой идее представления их символической вселенной в трех измерениях с использованием камня и сырцовых кирпичей.

В Риме был сделан впечатляющий прорыв с другим материалом, который кажется почти чудодейственным: пуццолана, порошок, который превращается в камень при смешивании с водой. Этот материал позволил построить основные здания и общественные сооружения римлян, в частности Пантеон (125 г. н.э.): его свод до сих пор поражает посетителей.

В 1851 году в Лондоне состоялась первая Великая выставка произведений промышленности всех наций (или просто Великая выставка). Хрустальный дворец был построен по этому случаю; для конструкции использовалось железо, а для покрытия здания — стекло.Здание было изготовлено с использованием первого процесса предварительной сборки, модуляции материалов и сборки в рекордно короткие сроки.

Великие выставки, позже Всемирные ярмарки, продолжали создавать впечатляющие сооружения из новых для своего времени материалов; они должны были быть эфемерными произведениями, но в некоторых случаях они просуществовали со временем и стали знаковыми чертами своих стран. Самый известный пример — Эйфелева башня, построенная к Всемирной выставке 1889 года.

В Испании компания Ferrovial реализовала выдающиеся архитектурные и инженерные проекты, изначально используя железобетон.С тех пор компания остается на переднем крае с точки зрения материалов, технологий и способности реагировать на потребности инфраструктуры.

Конкретная теория: математик UWM помогает печатать более качественные строительные материалы

Бетон

— универсальный строительный материал, но со временем он подвержен износу, разрыву и растрескиванию. В дополнение к основным схемам нагрузки, в крупных конструкциях деформации, вызванные колебаниями температуры, если они не компенсируются должным образом, могут быть движущей силой преждевременного разрушения.Чтобы противодействовать этой деформации, инженеры обычно проектируют большие конструкции, которые собираются из больших плит. Эти плиты соединены между собой соединительными элементами, экранированными от агрессивных сред прорезиненной мембраной, почти как герметик.

Но, по словам Бернса Хили, этот соединительный элемент стоит дорого, а бетон в этих местах часто выходит из строя.

«Было бы намного лучше, если бы мы могли делать большие монолитные куски бетона без соединений, вместо того, чтобы соединять каждый из них», — сказал он.

Именно поэтому Healy объединяется с исследователями из группы профессора инженерной и экологической инженерии Константина Соболева в Инженерно-прикладном колледже UWM. Они пытаются найти новые способы формовки бетона с помощью 3D-печати, которые повысят его долговечность и, как мы надеемся, снизят его стоимость.

Хили — приглашенный доцент кафедры математических наук UWM. Он специализируется на геометрии и топологии, изучении расстояния и формы.Когда аспирантка гражданского строительства Апарна Дешмукх обратилась к математическому факультету за помощью в своем проекте по созданию более прочных бетонных конструкций с помощью 3D-печати, Хили вызвалась сотрудничать.

Образец для подражания

Печатать бетон на 3D-принтере дорого, поэтому вместо того, чтобы печатать формы и затем проверять, какими структурными свойствами обладает готовый продукт, Хили помогает Дешмукху применить математический подход, используя моделирование, чтобы понять, какими свойствами может обладать готовый продукт после его изготовления. на самом деле существует.

Для этого он изучает существующие исследования и определяет, какими физическими свойствами обладают определенные дизайны после их создания и печати. К этим свойствам относятся такие параметры, как коэффициент Пуассона — мера деформации материала перпендикулярно к месту приложения давления — как анизотропная деформация, а также если материал деформируется больше в одном направлении, чем в другом.

«Идея состоит в том, чтобы посмотреть на все системы, которые использовались до сих пор… и сказать, что все эти системы имеют свойства x, y или z, и вот как они работают», — объяснил Хили.«Если вам нужно определенное свойство, посмотрите на набор систем, обладающих этим свойством. Что, с математической точки зрения, общего у этих систем, что вы можете попытаться подражать?»

Дизайны, которые исследует Healy, состоят из повторяющихся узоров — подумайте, например, о узорах из линий и ромбов на металлическом полу, — и эти узоры имеют разные свойства, влияющие на целостность бетона.

«Что я заметил, когда мне показывали все эти (шаблоны), так это то, что с математической точки зрения мы понимаем их все», — сказал Хили.«Оказывается, существует ровно 17 различных типов узоров, которые могут быть у этих вещей, и они называются группами обоев».

группы обоев — это способ классификации повторяющихся узоров, и такие математики, как Хили, давно изучили их характеристики.

«Вопрос в том, в какой степени на значения (такие как анизотропная деформация и коэффициент Пуассона) влияет группа обоев, связанная с узором, на основе которого она была смоделирована? Это то, что мы пытаемся выяснить», — добавил он.

Ауксетическая эстетика

Одной из целей Дешмукха является создание ауксетического бетона, поэтому эти свойства являются фундаментальной частью строительной головоломки.

Что значит быть ауксетиком?

«Представьте себе матрас. Если вы нажмете достаточно сильно, стороны немного выпячатся. … Это плохое поведение для большинства материалов, которые испытывают ежедневную анизотропную нагрузку, например, автомобили, едущие по асфальту», — сказал Хили. «Эта повторяющаяся нагрузка приводит к усталости материала, потому что она меняет геометрию, в частности, соотношение между высотой и шириной.Для долговременного отклика на долговечность вы бы предпочли, чтобы, если вы вдавите его, он сопротивлялся расширению, а также сжимался по бокам.

«Вот что значит быть ауксетиком. Если вы обеспечиваете положительную силу, вы расширяетесь во всех направлениях. Если вы создаете внутреннюю силу, вы сжимаетесь во всех направлениях».

Ауксетические материалы сохраняют свою структурную целостность дольше, чем неауксетичные материалы. Загвоздка в том, что материалы не являются естественными ауксетиками; вместо этого ауксетические свойства исходят из «метаматериалов» или способа, которым строитель соединяет материал.

Для этого проекта Хили и Дешмукх заинтересованы в поиске конструкций или систем, которые создают наилучший ауксетический материал.

Здесь на помощь приходят группы обоев. Хили знает свойства групп обоев. Если он сможет применить то, что он знает об определенных образцах на основе их группы обоев, он сможет лучше предсказать коэффициент Пуассона рисунка, анизотропную деформацию и другие свойства и определить, может ли этот рисунок стать хорошим ауксетическим материалом.

Следующие шаги

Хили находится в процессе написания статьи, исследующей математику проекта, которую он и его сотрудники надеются использовать в качестве отправной точки для получения финансирования от Национального научного фонда.По его оценкам, работа над документом будет завершена в конце этого месяца.

Хили также планирует исследовать системы, в которых модели повторяются сами по себе, как зачатки фракталов.

На практике создание ауксетического бетона может означать, что строительные материалы будут более структурно прочными и прослужат дольше. И, как отметил Хили, по мере того, как мир продвигается дальше в космическую эру, эти материалы будут необходимы для создания структур в средах без атмосферы, таких как здания на Луне.

В конце концов, с прочным фундаментом нет предела.

Сара Викери , Колледж литературы и науки

испытаний материалов | Britannica

испытание материалов , измерение характеристик и поведения таких веществ, как металлы, керамика или пластмассы в различных условиях. Полученные таким образом данные могут быть использованы при уточнении пригодности материалов для различных применений — е.g., строительство или авиастроение, машины или упаковка. Можно протестировать полномасштабную или мелкомасштабную модель предлагаемой машины или конструкции. В качестве альтернативы исследователи могут построить математические модели, которые используют известные характеристики и поведение материала для прогнозирования возможностей конструкции.

Испытания материалов подразделяются на пять основных категорий: механические испытания; испытание на термические свойства; испытание на электрические свойства; испытания на устойчивость к коррозии, радиации и биологическому износу; и неразрушающий контроль.Стандартные методы испытаний были установлены такими национальными и международными органами, как Международная организация по стандартизации (ISO) со штаб-квартирой в Женеве и Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) в Филадельфии.

Конструкции и машины или их компоненты выходят из строя из-за разрушения или чрезмерной деформации. Пытаясь предотвратить такой отказ, проектировщик оценивает ожидаемую нагрузку (нагрузку на единицу площади) и указывает материалы, способные выдерживать ожидаемые нагрузки.Анализ напряжения, выполненный либо экспериментально, либо с помощью математической модели, указывает ожидаемые области высокого напряжения в машине или конструкции. Испытания механических свойств, проведенные экспериментально, указывают, какие материалы можно безопасно использовать.

Испытания на статическое растяжение и сжатие

При растяжении (растягивании) материал удлиняется и в конце концов ломается. Простое испытание на статическое растяжение определяет предел прочности материала и его удлинение, обозначаемое как деформация (изменение длины на единицу длины).Например, если 100-миллиметровый стальной стержень удлиняется на 1 миллиметр под заданной нагрузкой, деформация составляет (101–100)/100 = 1/100 = 1 процент.

Для испытания на статическое растяжение требуется (1) образец для испытаний, обычно цилиндрический, или со средним сечением меньшего диаметра, чем концы; (2) испытательная машина, которая прикладывает, измеряет и регистрирует различные нагрузки; и (3) соответствующий набор захватов для захвата испытуемого образца. При испытании на статическое растяжение испытательная машина равномерно растягивает небольшую часть (испытуемый участок) испытуемого образца.Длина испытательного участка (называемая расчетной длиной) измеряется при различных нагрузках с помощью устройства, называемого экстензометром; эти измерения используются для расчета деформации.

Обычные испытательные машины бывают с постоянной нагрузкой, постоянной скоростью нагрузки и постоянной скоростью перемещения. В типах с постоянной нагрузкой веса используются непосредственно как для приложения нагрузки, так и для ее измерения. В машинах для испытаний с постоянной нагрузкой используются отдельные блоки нагрузки и измерения; нагрузки обычно прикладывают с помощью гидроцилиндра, в который масло закачивается с постоянной скоростью.Машины для испытаний с постоянной скоростью перемещения обычно приводятся в действие винтовыми шестернями.

Захваты испытательной машины

предназначены для плавной передачи нагрузки на образец без образования локальных концентраций напряжения. Концы испытуемого образца часто слегка расширяют, так что при наличии небольших концентраций напряжений они будут направлены на калибровочную секцию, и отказы будут возникать только там, где проводятся измерения. Зажимы, штифты, резьба или склеивание используются для удержания испытуемого образца.Внецентренное (неравномерное) нагружение помимо растяжения вызывает изгиб образца, а значит, напряжение в образце будет неравномерным. Чтобы избежать этого, большинство захватных устройств имеют один или два шарнирных соединения в рычажном механизме, передающем нагрузку на испытуемый образец. Воздушные подшипники помогают скорректировать горизонтальное смещение, которое может вызвать проблемы с такими хрупкими материалами, как керамика.

Испытания на статическое сжатие определяют реакцию материала на раздавливание или нагрузку опорного типа (например, в балках дома).Испытательные машины и экстензометры для испытаний на сжатие аналогичны тем, которые используются для испытаний на растяжение. Однако образцы, как правило, проще, потому что захват обычно не представляет проблемы. Кроме того, образцы могут иметь постоянную площадь поперечного сечения по всей длине. Расчетной длиной образца при испытании на сжатие является его полная длина. Серьезной проблемой при испытаниях на сжатие является вероятность того, что образец или нагрузочная цепь могут прогнуться (образовать вздутия или изгибаться) до разрушения материала. Чтобы предотвратить это, образцы держат короткими и короткими.

Испытания на сдвиг в плоскости показывают деформационную реакцию материала на силы, приложенные по касательной. Эти испытания применяются в основном к тонким листовым материалам, металлам или композитам, таким как пластик, армированный стекловолокном.

Однородный материал, такой как необработанная стальная отливка, реагирует на нагрузку иначе, чем зернистый материал, такой как древесина или клеевое соединение. Говорят, что эти анизотропные материалы имеют предпочтительные плоскости слабости; они лучше противостоят напряжению в одних плоскостях, чем в других, и, следовательно, должны подвергаться другому типу испытаний на сдвиг.

Также можно измерить прочность на сдвиг заклепок и других крепежных изделий. Хотя напряженное состояние таких изделий, как правило, довольно сложное, для большинства целей достаточно простого испытания на сдвиг, дающего лишь ограниченную информацию.

Испытание на растяжение трудно проводить непосредственно на некоторых хрупких материалах, таких как стекло и керамика. В таких случаях мера прочности материала на растяжение может быть получена путем проведения испытания на изгиб, при котором растягивающие (растягивающие) напряжения возникают на одной стороне изогнутого элемента, а соответствующие сжимающие напряжения возникают на противоположной стороне.Если материал значительно прочнее на сжатие, чем на растяжение, разрушение начинается на стороне растяжения элемента и, следовательно, дает необходимую информацию о прочности материала на растяжение. Однако, поскольку необходимо знать точную величину растягивающего напряжения при разрушении, чтобы установить прочность материала, метод испытания на изгиб применим только к очень ограниченному классу материалов и условий.

Конференция по строительному бизнесу и технологиям

Конференция по строительному бизнесу и технологиям — Основы работы со стенками жесткости

Свойства материалов и
Нагрузки

Необходим краткий экскурс в свойства материалов.
показать, как они ведут себя под нагрузкой.Следует рассмотреть два аспекта.
Во-первых, для определенного образца материала (скажем, 3 x 3 x 6 дюймов в высоту), как
сколько нагрузки я могу применить к нему, прежде чем он выйдет из строя? Во-вторых, при приложении нагрузок
насколько этот материал будет деформироваться?

Рассмотрим следующие распространенные строительные материалы:
Пенополистирол, дерево, бетон и сталь. Предположим, у нас есть образцы каждого
из этих материалов, и мы можем испытать их при увеличивающихся сжимающих нагрузках.
После каждого теста мы снимаем нагрузку и измеряем образец, чтобы увидеть,
материал испытал постоянное изменение длины (также называемое
«деформация»).

Вот несколько примеров результатов:

1. Пенополистирол — Даже при малых нагрузках (50
фунтов) куб смялся и не вернулся к своей первоначальной форме после
снятие груза.

2. Древесина — Материал был загружен в 1000 фунтов
приращения с пропорциональной деформацией примерно до 9000 фунтов
до появления постоянной деформации. Материал выдерживает более высокие нагрузки
с увеличением деформации до разрушения образца.

3. Бетон — Материал загружен через 1000
фунт увеличивается примерно до 18 000 фунтов перед растрескиванием образца
Было отмечено.Деформация была пропорциональна нагрузке, пока не было отмечено растрескивание.
затем заметно увеличился. Когда образец вышел из строя, он, казалось, взорвался и почти
одним из кусков отрубил Джо голову.

4. Сталь — Материал был загружен через 5000
фунтов до предела емкости испытательного устройства (100 000 фунтов).
Деформация была пропорциональна нагрузке во всех случаях. Более крупное испытательное устройство
не было доступно.

Следующий график схематично иллюстрирует данные
собранные в предыдущих экспериментах:

Подобные графики позволяют нам предсказывать поведение
материалы. Если мы знаем величину нагрузки, которую хотим приложить к куску материала,
мы можем определить ожидаемую величину деформации, используя наш график.
И наоборот, мы можем определить текущую нагрузку на кусок материала путем измерения
деформацию и поиск соответствующей нагрузки на нашем графике.Также
обратите внимание, что чем прочнее материал, тем выше угол на графике.
линия.

Выраженная в реферате нагрузка на образец материала
это общая нагрузка «P» (в фунтах), деленная на площадь «A» (в квадратных дюймах)
на котором он применяется. Деформация – это изменение длины «дельта» (в
дюймы — иногда обозначаются маленьким треугольником) деленное на исходное
длина «L». Угол наклона линии задается соотношением

(P/A) / (дельта/L)

Переставлен, наклон

(П*Н)/(А*дельта)

Это отношение называется модулем
Эластичность и была рассчитана почти для всех материалов в настоящее время.
используется в строительстве.Ниже приведены примеры:

С практической точки зрения существует два диапазона
каждого материала: тот, в котором его поведение можно предсказать, и тот, в котором
это неясно. Поэтому желательно проектировать наши конструкции таким образом, чтобы
материалы сопротивляются силам (нагрузкам) и прогибаются (деформируются) в предсказуемых диапазонах
из составляющих их материалов.