Свойства строительных материалов. Виды и методы их исследований в испытательной лаборатории

К строительным относятся материалы, применяемые для сооружения и ремонта промышленных, жилых зданий и технологических сооружений. Это могут быть материалы природного происхождения (песок, глина, камень, древесина) или искусственного (бетон, цемент, стекло, кирпич, композиционные строительные материалы); а также конструкционные, изоляционные (гидро-, теплоизоляция), отделочные.

Свойства материалов и изделий – это показатели, с помощью которых можно оценить взаимодействие материала с окружающей средой, его пригодность для работы в конкретных условиях. Для испытания строительных материалов различается несколько видов свойств: физические, механические, химические, физико-химические, физико-механические, технологические, эксплуатационные.

Физические свойства определяют отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям. К основным физическим свойствам материала можно отнести:

• Плотность (характеристика, представляющая собой величину, равную отношению массы вещества к занимаемому им объему.
• Пористость (степень заполнения объема материала порами).
• Влажность (процентное содержание влаги в материале при данных условиях).
• Водопоглощение (способность впитывать влагу и удерживать ее).
• Морозостойкость (свойство насыщенного водой материала выдерживать многократно попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и снижения прочности).
• Теплопроводность (свойство материала передавать тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил. К этому виду свойств можно отнести:

• твердость (способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки),
• хрупкость (свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций),
• прочность (способность материала сопротивляться разрушению),
• упругость (свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки),
• пластичность (способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом),
• истираемость (способность материала изменяться в объёме и массе под действием истирающих усилий),
• водостойкость (способность материала сопротивляться длительному разрушающему действию воды) и прочие.

Химические свойства характеризуют склонность материала к взаимодействию с различными веществами и способность противостоять их вредному воздействию (коррозионная или химическая стойкость).

Технологические свойства определяют способность материала подвергаться различным видам обработки, изменяющих состояние материала, придающих нужную форму и размеры.  К ним относятся:

• Дробимость (способность природных и искусственных материалов при ударе делиться на части различных размеров и форм).
• Шлифуемость (способность продукта полностью скрывать цвет поверхности, на которую он наносится).
• Ковкость (деформируемость, штампуемость – способность к значительными пластическим деформациям без разрушения и образования пороков).
• Свариваемость (способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам свариваемых материалов).
• Обрабатываемость резанием (способность материалов поддаваться обработке резанием).
• Уплотняемость (способность материала пластически деформироваться (сжиматься) под действием собственной массы и приложенного нормаль­ного давления без нарушения структурной сплошности.
• Литейные свойства (способность жидких материалов заполнять литейные формы и образовывать плотные отливки).
• Укрывистость (способность продукта полностью скрывать цвет поверхности, на которую он наносится).

К эксплуатационным (оценивающим пригодность материала для работы в специальных условиях) можно отнести такие свойства, как – жаростойкость, жаропрочность, износостойкость.

Виды механических испытаний

Механические испытания по характеру действующей на испытуемый объект во время испытания нагрузки, делятся на три вида: статические, динамические, усталостные.

Статическими называют испытания, при которых испытуемый образец подвергают постоянной или медленно возрастающей нагрузке. Наиболее важны следующие виды статических испытаний:

• Испытания на растяжение (все материалы). Позволяет выяснить предел текучести, прочности, упругости, относительное удлинение и сужение.
• Испытания на сжатие (дерево, кирпич, бетон, металлы и полимеры). Применяются реже, позволяют выявить предел прочности, текучести, упругости, относительное укорочение).
• Испытания на изгиб (полимеры, дерево, стекло, керамика, металлические материалы). Для определения предельной пластичности. Измеряется углом изгиба, вызывающего в изогнутой зоне появление первой трещины.
• Испытания на сдвиг (дерево, металлы)
• Испытания на кручение (арматура, металл, сталь).

По результатам определяют прочностные, упругие и пластические свойства материалов.

Динамическими называют испытания, при которых материал подвергают воздействию ударным нагрузкам (резкое изменение величины нагрузок и большой скоростью деформации). По результатам динамических испытаний определяют величину работы, затраченной на деформацию или разрушение образца.

• Ударное растяжение используют для определения прочности и пластичности материала при его растяжении с высокой скоростью.
• Ударная вязкость (ударная вязкость по Шарпи) имеет наибольшее значение для определения сопротивления хрупкому разрушения вязких металлических и высокополимерных материалов.
• Ударное кручение применяют для определения вязкости материалов.
• Ударный изгиб.

Усталостные испытания могут длится сотни часов и проводятся при многократном циклическом приложении, нагрузки к образцу. В конечном итоге определяется предел выносливости материала (предельные напряжения, которые образец выдерживает без разрушения). Испытания на усталость проводятся на растяжение, кручение, изгиб, сжатие — со всеми материалами.

Механические испытания проводятся в процессе проведения разрушающего контроля (исследование образцов, во ходе которого происходит его разрушение).

Статические методы измерения твердости (твердометрия):

• по Бринеллю (твердость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому вдавливанием металлического шарика);
• на пределе текучести (вдавливанием шара);
• по Виккерсу (вдавливанием алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды);
• по Роквеллу (вдавливанием в поверхность образца алмазного конуса или стального сферического наконечника);
• по Супер-Роквеллу (вдавливанием в поверхность образца алмазного конуса или стального шарика);
• по Шору (твердость определяется методом упругого отскока бойка от поверхности);
• измерение методом ударного отпечатка;
• измерение твёрдости металлов по Либу (твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности);
• микротвердость (вдавливанием алмазных наконечников);
• кинетический метод.

Испытания на растяжение

Испытания на растяжение проводятся на испытательных машинах и являются одними из наиболее распространенных методов механического контроля. Измеряя образец во время его растяжения, получают полные характеристики его свойств на растяжение. При нанесении этих данных на график кривой напряжение/деформация – отслеживают реакцию материала на силу напряжение в каждой точке.  Самой важной будет являться точка разрушения образца, но не менее ценными станут и точки предела пропорциональности, предела текучести, предшествующие пределу прочности (разрушения). Во время испытания на растяжение определяются:

Неразрушающие методы контроля

Неразрушающие методы контроля позволяют без ущерба для конструкции исследовать ее техническое состояние. К неразрушающим методам относится ВИК (визуальный и измерительный контроль), радиационный, ультразвуковая дефектоскопия, магнитнопорошковый и вихретоковый метод, контроль на непроницаемость (капиллярный) и ряд других методов. Работа приборов неразрушающего контроля основывается на принципах изменения свойств предмета при наличии дефектов.

Ультразвуковой контроль (УЗК) основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от поверхности, разделяющей среды с разными акустическими свойствами. Это метод неразрушающей проверки, в основе которого лежит поиск механических дефектов недопустимого размера и химических отклонений от заданного параметра.

Магнитографический метод контроля основан на обнаружении магнитных полей рассеяния, возникающих в местах дефектов соединений при намагничивании контролируемых деталей, с последующим воспроизведением и расшифровкой полученной записи. Этот метод применяют для контроля сварных швов трубопроводов, конструкций с длинными швами из сталей.

Капиллярный метод контроля (люминесцентная и цветная дефектоскопия) используется для определения дефектов в сварочных швах металлов (черных и цветных), пластмасс, стекла, керамики. Проникая в тело металла, индикаторные жидкости оставляют следы, по которым и определяются дефекты. Следы обнаруживаются визуально, либо при помощи специальных приборов-преобразователей.

Неразрушающие методы исследования прочности бетона

Поскольку при неразрушающем контроле прочность бетона рассчитывается косвенным образом (исходя из величины усилия) перед проведением испытаний необходимо установить градуировочные зависимости (ГЗ).

Отрыв со скалыванием – самый распространенный метод оценки прочности бетонных конструкций.  В бетоне просверливаются отверстия, в нем закрепляется анкер, который отрывается специальным прибором с замером усилия вырыва. При скалывании ребра, прибор закрепляется в зоне ребра конструкции.

Упругий отскок – косвенный метод оценки прочности бетона. Замеры осуществляются специальным прибором (склерометром), состоящим из ударного механизма и стрелки-индикатора, данные соотносятся с графиком ГЗ.

Ударный импульс –также относится к косвенным методам анализа. В момент испытания проводится серия ударов в одну точку конструкции. Прибором фиксируется энергия удара, возникающая при взаимодействии ударного бойка (молотка Шмидта) и поверхности. С помощью предварительно установленных градуировочных зависимостей, определяется прочность или класс бетона.

Пластическая деформация – измерение отпечатка, оставшегося после удара металлическим шариком. Это устаревший, но часто используемый метод с использованием молотка Кашкарова.

Ультразвуковой метод – измерение скорости колебаний ультразвука, проходящего сквозь толщу бетона. Применяется, чтобы определить прочность бетона в промежуточном и проектном возрасте. Прочностные характеристики определяют по ГЗ.