Właściwości mechaniczne materiałów budowlanych.

Do najbardziej charakterystycznych właściwości mechanicznych określanych dla materiałów budowlanych należą:

• wytrzymałość na ściskanie,

• wytrzymałość na rozciąganie,

• wytrzymałość na zginanie,

• wytrzymałość na ścinanie,

a także

• podatność na rozmiękanie,

• twardość (odporność na wgniatanie),

• ścieralność (odporność na ścieranie),

• udarność (odporność na uderzenia),

• sprężystość,

• plastyczność,

• pełzanie,

• lepkość,

• relaksacja,

• ciągliwość,

• kruchość,

• tiksotropia.

Wytrzymałość na ściskanie ( R_c )

Wytrzymałość na ściskanie - jest to największy opór, jaki stawia materiał siłom ściskającym, przeciwstawiając się zniszczeniu.

Badanie wytrzymałości na ściskanie polega na przyłożeniu obciążenia, którego konsekwencją jest przybliżenie cząstek ciała do siebie.

Wartość liczbowa tej wytrzymałości stanowi iloraz siły ściskającej, która spowodowała zniszczenie struktury materiału i powierzchni, na którą działa siła ściskająca.

Wytrzymałość na ściskanie - (R_c) - jest to największe naprężenie , jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas ściskania. Określa się ją wzorem:

R_c =
[MPa]

gdzie: F_n - siła ściskająca (niszcząca) próbkę, [N],
A - przekrój poprzeczny próbki ściskanej, prostopadły do kierunku działania siły, [m²].

Próbki do badania wytrzymałości na ściskanie mają kształt sześcianów, prostopadłościanów lub walców.

O wytrzymałości na ściskanie decyduje kierunek działania siły w stosunku do włókien lub warstw materiału. W przypadku materiałów o niejednolitej budowie zależy ona także od stopnia zawilgocenia materiału i temperatury.

Wartość wytrzymałości na ściskanie materiałów budowlanych waha się w szerokich granicach: od 0,5 MPa - dla płyt torfowych, do 1000 MPa (1GPa) i więcej - dla wysokogatunkowej stali.

Współczynnik rozmiękania (r_m) można wyliczyć ze wzoru: r_m = R_w/R_c [-]

gdzie: R_w - wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą,
R_c - wytrzymałość na ściskanie próbki suchej.

Uwaga: dalej, w tym dziale, podano informacje o cesze mechanicznej materiałów budowlanych określanej jako podatność na rozmiękanie, wyznaczanej przy pomocy współczynnika rozmiękania (k), który może być wyliczany z wykorzystaniem wartości wytrzymałości na ściskanie, jak również na podstawie wartości wytrzymałości materiału na zginanie.

Tabl. 1. Wartość wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie niektórych materiałów budowlanych

Materiał	Wytrzymałość na ściskanie, [MPa]	Wytrzymałość na rozciąganie, [MPa]
Żeliwo Stal budowlana zwykła Szkło Ceramika porowata Drewno (wzdłuż włókien) Granit Beton zwykły Tworzywa sztuczne	590 ÷ 980 294 ÷ 440 340 ÷ 980 4,9 ÷24,5 39,2 ÷ 59,0 118 ÷ 236 8,8 ÷ 59,0 5,9 ÷ 480	137 ÷ 176 294 ÷ 490 9,8 ÷ 77,5 0,2 ÷ 1,96 77,5 ÷ 147 4,4 ÷ 7,75 0,78 ÷ 4,90 88 ÷ 775

Uwaga: praktycznie wyznaczenie wytrzymałości na ściskanie jest możliwe tylko dla materiałów kruchych (np. żeliwa mosiądzu), ponieważ dla nich próba kończy się pojawieniem pęknięć. W przypadku materiałów ciągliwych badanie jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe.

Wytrzymałość na rozciąganie ( R_r )

Wytrzymałość na rozciąganie - jest to największy opór, jaki stawia materiał siłom rozciągającym, przeciwstawiając się zniszczeniu.

Badanie wytrzymałości materiałów na rozciąganie polega na przyłożeniu siły, której konsekwencją jest oddalanie cząstek ciała od siebie.

Wartość liczbowa wytrzymałości na rozciąganie stanowi iloraz siły rozciągającej powodującej rozerwanie materiału i powierzchni przekroju poprzecznego, na którą działa siła.

Wytrzymałość na rozciąganie - (R_r) - jest to największe naprężenie , jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas rozciągania. Wyraża się ją następującym wzorem:

R_r =
[MPa]

gdzie: F_r - siła niszcząca próbkę, [N],

A - przekrój poprzeczny próbki rozciągającej, prostopadły do kierunku działania siły, [m²].

Badane próbki mają różny (specjalny) kształt, zależny od rodzaju materiału, np. stal budowlana - pręty; drewno - wiosełka; zaczyny i zaprawy - ósemki o wymiarach 22,5 x 22,5 x 78,0 mm (PN-85/B-04500). Taki kształt próbek zapewnia rozerwanie próbki w miejscu o najmniejszym, dokładnie mierzalnym przekroju.

Wytrzymałość na zginanie ( R_z )

Wytrzymałość na zginanie - jest to największy opór, jaki stawia materiał siłom zewnętrznym powodującym zginanie, aż do jego złamania.

Wartość liczbowa wytrzymałości na zginanie stanowi iloraz niszczącego momentu zginającego do wskaźnika wytrzymałości przekroju elementu zginanego.

Wytrzymałość na zginanie - (R_z) - jest to naprężenie , które określa stosunek niszczącego momentu zginającego do wskaźnika wytrzymałości przekroju elementu zginanego.

R_z =
[MPa]

w którym: M - moment zginający, [N·m],

W - wskaźnik wytrzymałości, [m³].

Moment zginający wyznacza się w zależności od sposobu obciążenia belki.

Jeśli siła (skupiona) niszcząca działa w środku rozpiętości (belki) badanej próbki między dwoma podporami, moment zginający M wynosi:

M =
[N·m]

w którym: F - siła niszcząca, [N], l - rozpiętość próbki między podporami, [m].

Jeśli natomiast na belkę (badaną próbkę) działa obciążenie ciągłe o wartości q [N/m] to wartość momentu zginającego wyznacza się wzorem:

M =
[N·m]

gdzie: q - obciążenie ciągłe próbki materiału, [N/m], l - rozpiętość belki między podporami, [m].

W wypadku beleczki o przekroju prostokątnym, wskaźnik wytrzymałości W oblicza się wg wzoru:

W =
[cm³], (m³)

w którym: b - szerokość beleczki, [cm], (m); h - wysokość beleczki, [cm], (m).

Przy oznaczaniu wytrzymałości na zginanie zniszczenie materiałów zwykle zaczyna się w dolnej rozciąganej strefie. Jest to wynikiem tego, że w większości materiałów (poza stalą i drewnem) wytrzymałość na ściskanie jest większa niż wytrzymałość na rozciąganie. Duża wytrzymałość na zginanie charakteryzuje materiały o wysokiej wytrzymałości zarówno na ściskanie, jak i na rozciąganie. Do tej grupy należą: drewno, stal, aluminium. Dlatego dobrze pracują w konstrukcjach belki z tego rodzaju materiału.

Podatność na rozmiękanie

Destrukcyjny wpływ wody na cechy wytrzymałościowe materiału określa się za pomocą współczynnika rozmiękania. Wyraża się go wzorem:

r =
lub r =
[-]

gdzie: R_c(n), R_zg(n) - wytrzymałość na ściskanie (zginanie) próbki materiału w stanie nasycenia wodą, [MPa], natomiast: R_c(s), R_zg(s) - wytrzymałość na ściskanie (zginanie) próbki materiału w stanie suchym, [MPa].

Twardość

Twardość - jest to odporność materiału na odkształcenie trwałe, wywołane wciskaniem w jego powierzchnię innego materiału o większej twardości.

Im większa jest twardość, tym materiał jest trudniejszy w obróbce, a także odporniejszy na zarysowania powierzchni i zużycie pod wpływem działań mechanicznych.

Twardość jest właściwością materiału charakteryzującą jego odporność na odkształcenia pod wpływem nacisku sił skupionych na jego powierzchnię. Od rodzaju materiału zależy sposób oznaczenia twardości. Najczęściej są stosowane metody statyczne, np. Brinella, Rockwella, oraz metoda dynamiczna Shore'a.

Dla materiałów kamiennych stosuje się np. skalę Mohsa. Metoda Janki służy określeniu twardości drewna. Jej miara jest wartość siły, która powoduje zagłębienie stalowej kulki na głębokość jej promienia w próbce. Twardość metali i tworzyw sztucznych mierzy się najczęściej metoda Brinella, polegającą na wciśnięciu kulki stalowej, a stosunek siły do pola odcisku na powierzchni próbki jest miarą twardości.

Nie ma prostej zależności między wytrzymałością a twardością. Materiały o różnych wytrzymałościach mogą mieć mniej więcej jednakową twardość. O wielkości twardości decyduje charakter wiązania, typ struktury i mikrostruktury materiału.

Sprężystość

Sprężystość - jest to zdolność materiału do powracania do pierwotnej postaci po usunięciu siły zewnętrznej, która spowodowała odkształcenie materiału.

Inaczej: sprężystość - jest to zdolność materiału do przyjmowania pierwotnej postaci po usunięciu siły, pod wpływem której próbka materiału zmieniła swój kształt.

Sprężyste właściwości materiału charakteryzuje współczynnik sprężystości E obliczany wg wzoru:

E =
, [MPa], (Pa)

w którym: σ - naprężenie powstające przy (rozciąganiu lub) ściskaniu siłą F_n [kN] próbki
o przekroju A [cm²], mianowane w [MPa], (Pa)

 - odkształcenie sprężyste wywołane naprężeniem σ , obliczone ze stosunku zmiany długości l do długości pierwotnej l , (wydłużenie względne wywołane przez naprężenie), bezmianowe [-],

natomiast:

σ =  E = F_n/A [MPa]; oraz:  = l / l *100% [%]

a w tym:

F_n - siła ściskająca (rozciągająca), [kN], l - zmiana długości, [cm],

A - pole przekroju próbki, [cm2], l - długość; pierwotna, [cm].

Kruchość ( k )

Kruchość (k) - przyjęto, że jest to stosunek wytrzymałości na rozciąganie ( R_r ) do wytrzymałości na ściskanie ( R_c ); wielkość tę oblicza się wg wzoru: k =
[-],

Jeżeli wartość k < 1/8 to mamy do czynienia z materiałem kruchym (żeliwo, szkło, skały, beton zwykły, ceramika). Materiały kruche po przekroczeniu pewnej wartości naprężenia ulegają zniszczeniu, nie wykazując żadnych odkształceń plastycznych. Charakteryzują się dużymi różnicami wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, np. wytrzymałość na rozciąganie materiałów kamiennych wynosi 1/40 - 1/60 wytrzymałości na ściskanie.

Kruche pękanie polega na zahamowaniu odkształcenia plastycznego przez spiętrzenie dyslokacji na przeszkodach (np. granica ziaren). Odpowiednia liczba dyslokacji jest przyczyną koncentracji naprężeń, które są źródłem powstawania ognisk mikropęknięć.

Ścieralność ( s )

Ścieralność (s) - jest to podatność materiału na ścieranie. Ścieralność oznacza się na tarczy Böhmego, jako zmniejszenie wysokości próbki podczas badania normowego.

s = (M/A)*(1/ρ_p) [cm]

w którym: M - strata masy próbki po 440 obrotach tarczy, [g], A - powierzchnia próbki, [cm²],
ρ_p - gęstość pozorna próbki, [ g/cm³].

Inaczej ścieralność jest to podatność materiału do zmniejszenia objętości lub masy pod wpływem działania sił ścierających. Ścieralność zależy od budowy materiału, jego twardości i elastyczności. Miarą ścieralności jest pomiar strat na wysokości lub ubytku masy próbki w wyniku ścierania. Oznaczenie przeprowadza się w specjalnych aparatach, takich jak wymieniona wyżej tarcza Boehmego dla materiałów kamiennych lub betonów, a także aparat Alpha dla drewna, aparat Stuttgart dla wyrobów podłogowych z tworzyw sztucznych, bęben Los Angeles dla kruszyw do nawierzchni drogowych.

Badaniu temu poddaje się materiały, które w warunkach eksploatacji w konstrukcjach budowlanych podlegają ścieraniu. Obejmuje ono materiały na podłogi, stopnie schodowe, nawierzchnie drogowe i lotniskowe, okładziny zbiorników na materiały sypkie.

Odporność na uderzenia

Jest to zdolność przeciwstawienia się nagłym siłom uderzeniowym. Określa się ją energią potrzebną do stłuczenia lub przełamania badanych próbek materiału. Właściwość ta jest ważna dla materiałów posadzkowych, okładzin, nawierzchni drogowych i chodnikowych. Zależy ona głównie od struktury krystalicznej materiału.

Uwaga: 1 MN/m² = 1 MPa

Str. 4 Właściwości mechaniczne materiałów budowlanych

(amw) materiałoznawstwo str. 3

Data utworzenia 2005-12-20 15:50 Data ostatniego wydruku 0000-00-00 00:00

---