Жылу-физикалық касиеттері

Бұл қасиеттер тобына материалдардың жылуөткізгіштік, отқа төзімділік, т.б. қасиеттері жатады.

Жылуөткізгіштік деп материалдардың бір бетінен (мысалы, ішкі) екінші (сырткы) бетіне жылу өткізу қабілетін атайды. Тұрғын үйлерде, басқа да азаматтық ғимараттарда жылулық комфортты сақтау үшін қоршағыш конструкция ретінде қолданылатын сыртқы қабырғалардың, төменгі (бірінші) қабаттың еденінің, жоғарғы қабаттың төбесінің, әсіресе жылуөткізбейтін (жылу изоляциялық, жылуды аз өткізетін) материалдардың жылуөткізгіштігін білу өте кажет.

* Көп материалдардың, оның ішінде құрылыс материалдарының да қасиеттері, олардың стандарттарында көрсетілгендей, құрғақ күйінде анықталынады. Өйткені материал ылғалданса оның касиеттері де өзгереді.жылу оның затынан және саңылаулардағы ауадан өтеді.

Ауаның жылуөткізгіштігі өте аз 0,023 Вт/(м×°С), ол жылу өткізбейді десе де болады. Құрғақ кеуекті материалдардың жылуөткізгіштік мөлшері оның затының және ауаның жылуөткізгіштік мөлшерінің аралығынан орын алады. Сондықтан материалдардың кеуектілігі өскен сайын оның жылуөткізгіштігі төмендейді, ал тығыздығы өскен сайын, керісінше оның жылуөткізгіштігі жоғарылайды. Демек, қоршағыш конструкциялар үшін кеуекті, жеңіл материалдар тиімді.

Материал дымқылданса оның жылуөткізгіштігі тез өседі, өйткені судың жылуөткізгіштігі ауаның жылуөткізгіштігінен 25 рет артық (0,58 Вт/(м× °С). Егер су тоңазып мұзға айналса, онда материалдың жылуөткізгіштігі одан да жоғарылайды, өйткені мұздың жылуөткізгіштігі 2,3 Вт/(м×°С) - қа тең, яғни ауаның жылуөткізгіштігінен 100 есе көп.

Әдетте материалдардың жылуөткізгіштігінен (l) олардың орташа тығыздыгы (ρ_о) аркылы болжауға болады. Тас материалдар үшін проф. В.П.Некрасовтың мына формуласы колданылады:

Вт/(м×°С) (1)

Бұл формуланы басқа да материалдардың жылуөткізгіштігін табу үшін пайдалануға болады. Бірақ материалдардың жылуөткізгіштік мөлшерін дәл білу кажет болса, оны эксперимент тәжірибе арқылы анықтайды. Материалдардың жылуөткізгіштігінің олардың ылғалдылығы және тығыздығына байланысты екендігі белгілі.

Материал құрылымы (кұрылысы) да оның жылуөткізгіштігіне әсерін тигізеді. Қабат-қабат (қатпарлы) немесе талшық құрылымды материалдың жылуөткізгіштік мөлшері жылу ағымының талшықтардың бойына (ұзындығына) параллель немесе оларға кесе-көлденең бағытталуына байланысты. Мысалға, талшықтары діннің (бағананың) ұзын осін бойлаған ағашты алайық. Егер жылу ағымы талшықтардың бойына параллель, яғни діннің көлденең қимасына перпендикуляр болып бағытталса, оның жылуөткізгіштігі, жылудың талшықтарға кесе-көлденең бағытталуымен салыстырғанда, екі есе көп сәйкесінше 0,3 және 0,І5 Вт/(м×°С).

Материалдың жылуөткізгіштігі оның саңылаулары мөлшеріне байланысты: майда кеуекті материалдың жылуөткізгіштігі ірі кеуекті материалмен салыстырғанда, аз, ал қатынасты (ашық) саңылаулы материалдардың жылуөткізгіштігі, қатынассыз (жабық) саңылаулыларына қарағанда, көп. Өйткені саңылаулар ірі және өзара қатынасты болса, олардың ішіндегі ауа козғалып, жылу таратады, яғни конвекция құбылысы орын алады, материалдың жылуөткізгіштігі өседі.

Отқатөзімділік деп материалдың ұзақ уақыт температурасы жоғары отта жұмсамай және формасын өзгертпей сақталуын атайды. Материалдың отқа төзімділігі оның стандартты формалы және мөлшерлі үлгісін белгілі режиммен қыздырғанда қай температурада үлгі жұмсап, оның жоғарғы ұшы шөгіп, өзі тұрған тұғырыққа тигенімен сипатталынады.

1580 градустан жоғары температураға шыдайтын материалдарды отқа төзімді материалдар дейді. Оларға динас, шамот, хроммагнезиттен жасалынған материалдар мен бұйымдар жатады. Шамот материалдары мен бұйымдарының отқатөзімділігі 1610-1730°С, династта - 1700°С, хроммагнезитте 2000⁰C-тан кем емес. Бұл материалдар мен бұйымдар өндіріс пештерінің (домна, мартен, шыныбалқытқыш, клинкеркүйдіргіш, т.б.) ішкі футеровкасы (астары) ретінде пайдаланылады.

Отқатөзімділік көрсеткіші 1350-1580°С материалдарды қиып балқитын, көрсеткіші 1350°С төмен материалдарды оңай балқитын материалдар деп атайды.

Механикалық қасиеттер.

Бұған деформациялық (формасын өзгерткіштік) қасиеттер (серпімділік, пластикалық (иілгіштік), морттық (омырылғыштық) және беріктілік, қаттылық, үйкеліске және тозуға төзімділік қасиеттер жатады.

Деформациялық қасиеттер.

Құрылыс материалдары сыртқы күш әсерінен өздерінің өлшемдері мен формаларын аз шамаға болса да өзгертеді, яғни деформацияланады. Бұл деформация күш шамасына тікелей тәуелді. Егер күш белгілі бір мәннен аспаса, деформация күштің өсуіне пропорционал артады, ал күш әсерін тоқтатсақ (яғни күшті алып тастасақ, жойсақ) дене (бұйым) бастапқы қалпына келеді (қайтады). Денелердің бұл қасиеттерін серпімділік дейді.

Шамасы айтарлықтай үлкен күш әсерінен дененің қайтымсыз, қирамай деформациялану қабілеті иілгіштік қасиет деп аталынады.

Күш әсері тоқталған кезде (яғни денеге түскен күшті алғанда) деформацияның жойылуын (материалдың бұрынғы қалпына келуін) - серпімді немесе қайтымды деформация, ал жойылмауын (яғни материалдың бастапқы қалпына келмеуін) қалдық немесе пластикалы қ деформация дейді.

Құрылыстар мен конструкцияларда пайдаланылатын материалдарды екі топқа бөлуге болады: 1) - қалдық деформациядан кейін қирайтын пластикалық материалдар, мысалы, болат, дюралюминий, ағаш; 2) - өте аз қалдық деформация кезінде қирайтын морт материалдар, мысалы, шойын, бетон, кірпіш, шыны. Әдетте, пластикалық материалдар созылуға және сығылуға біркелкі карсыласады, ал морт материалдардың сығуга беріктілігі жақсы, бірақ созуға беріктілігі нашар болады. Морттыққа ірі, ал пластикалыққа ұсақ түйір құрылым тән.

Басқа материалдар сияқты құрылыста қолданылатын конструкциялық материалдар да атомдардан тұратыны, ал атомдар өзара атомдық күшпен байлынысып тепе-теңдік күйде болатыны физика курсынан мәлім. Материалдың беріктігі атомдардың атомдық күш шамасына байланысты. Атомдық күш неғұрлым үлкен болса, материал соғұрлым берік, кіші болса-осал. Сыртқы күш әсерінен атомдық күш кандай да бір қосымша шамаға өзгереді.

Бұл қосымша шама ішкі күш деп аталып, конструкция элементтерінің сыртқы күш әсеріне қарсыласу қабілетін сипаттайды.

Деформация материалдың атомдарының ара қашықтықтарының өзгеруі мен атом блоктарының орын ауыстыруы салдарынан туады. Дене деформация ланғанда ол А₁ шамасына ұзарады немесе қысқарады. Оның сызықтық (бойлық) салыстырмалы деформациясы (e) келесі формуламен анықталынады:

e = А₁/ 1 (9)
мұнда А₁ - абсолюттік деформация, 1 - дененің алғашкы сызық өлшемі см, мм).

Тәжірибелердің көрсетуіне қарағанда барлық серпімді конструкциялық материалдарда пайда болатын деформация (e) көрнеуге (d) тура пропорционал, яғни:

e = d / Е (10)

Бұл заңдылықтың авторы Гук айтқандай "күш қандай болса, ұзару да сондай". Әр материал әр күште әр түрлі ұзарады. Формуладағы Е - материалдың серпімділік модулі - материалдың қатаңдылығын, яғни оның деформацияга қарсыласу қабілетін сипаттайтын коэффициент; өлшем бірлігі - МПа немесе н/м²; ол тәжірибе жүзінде анықталынады:

Е = d / e (11)

мұндағы кернеу шамасы келесі формуламен есептелінеді:

d = P / S (12)

мұндағы P - бұйымға түскен сыртқы күш, кгс; S - бұйымның күш түспей тұрған кезіндегі көлденең қимасының ауданы, см².

Атомдары ұзара үлкен атомдық күшпен байланысқан материалдардың (олар жоғары температурада балқиды) серпімділік модулі де үлкен (2-кесте). Ауыр бетонның деформациялық модулі маркаларына (М100-М500) байланысты 1900-4100 МПа, арболиттің серпімділік модулі 75-1200 МПа.

2-кесте

Материалдард: серпімділік модулінің (Е) балқу температурасымен (t_d) байланыстылығы

Материал	Е10^-4, МПа	t_d, °С	Материал	Е10^-4, МПа	t_d, °С
Корунд	37,2		Қорғасын	1,5
Темір	21,1		Полистирол	0,3
Жез	11,2		Каучук	0,007
Алюминий

Пластикалық материалда қалдық деформациясын тудыратын кернеудің ең аз шамасы аққыштық шегі (d_а.ш.) деп аталып, келесі формуламен анықталынады:

d_а.ш. = Р_а.ш./ S (13)

мұнда Р_а.ш - үлгіге түскен, онда аққыштык шегін тудыратын сыртқы күш, кгс.

Кернеу шамасы аққыштық шегіне тең болғанда материал пластикалық (қалдық) деформацияға ұшырайды.

Беріктік деп конструкцияның немесе оның жеке элементтерінің сыртқы күш, температура, су, қар т.б. әсерінен туған ішкі кернеуге қирамай карсыласу қабілетін атайды, яғни беріктілік дегеніміз материалдың оған түскен сыртқы қирату күштеріне кедергі көрсетуі.

Конструкциялардағы құрылыс материалдар өздеріне түскен әр түрлі күштер әсерінен пайда болған сығылу, созылу, иілу және ығысу кернеулеріне тап болады. Көбіне материалдар сығылу мен созылу күштері әсерінде болады. Табиғи тастар, бетондар, кірпіш, т.б. морт материалдар сығу күштеріне жақсы, сығу күшіне орташа, ал созылу күшіне нашар кедергі көрсетеді. Бұлар созғанда, сығу мен салыстырғанда, 10-15 рет аз күшке шыдайды (қарсыласа алады). Сондықтан мұндай материалдарды сығылатын құрылыс конструкцияларда қолдану кажет. Басқа кұрылыс материалдары, мысалы, болат, ағаш, т.б. сығу және созу күштеріне бірдей жақсы кедергі көрсетеді.

Материалды сыққанда немесе созғанда пайда болатын кернеулер (12) формула арқылы анықталады.

d = P / S (12)

Материалдың беріктігі (R) оған кернеу туғызған күшті үлгінің көлденең қимасы ауданына бөлу арқылы табылады, яғни:

R = Р_к./ S (14)

Бұл көрсетілген беріктікті материалдың беріктік шегі немесе уақытша карсыласу шегі деп те атайды, ал Р_к - беріктік шегіне сай бұйымды (үлгіні) кирататын күш (ол кернеу туғызатын күштен (Р) айыру үшін «к» индексімен белгіленеді).

Материал беріктігін оның күштің қай түріне карсыласуына (кедергі көрсетуіне) байланысты R_сыг, R_соз, R_ию, R_ыгу деп белгілейді. Материалдың беріктік шегін табу үшін оның үлгісін престерде, үзгіш машиналарда, т.б. қиратады.

Құрылыс материалының құрылымы біркелкі емес болғандықтан, оның беріктік шегін бірнеше (әдетте үштен кем емес) үлгілерді қиратканнан соң олардан шыққан орташа көрсеткішке теңестіріледі. Үлгілердің формасы және өлшемдеріне байланысты, оларды сыннан өткізгенде, яғни қиратқанда табылған беріктік көрсеткіштері өзгереді.

Мысалы, сығу беріктігін табу үшін қабырғасы 2 (ғылыми зерттеу үшін)...30см текшелер (кубиктер) сынға салынса (қиратылса), кіші текшелердің беріктігі сол материалдардан жасалынған (дайындалған) үлкен текшелердің беріктігінен жоғары болып шығады. Призмалардың R_сығ олармен көлденең қимасы бірдей кубтардың беріктігінен айтарлықтай төмен. Өйткені үлгіні сыққанда ол көлденеңінен кеңиді. Үлгімен престің жоғарғы және төменгі табандары арасындағы үйкеліс үлгінің пресс плиталарына жанасқан жақын бөлшектерін көлденең кеңуден, демек қираудан корғайды. Сыққанда үлгінің орта шені, көлденең кеңудің әсерінен, алдымен кеңиді. Сондықтан морт материалдан жасалған кубты сыққанда, ол төбелері қосылған екі пирамида бөліп, қирайды (4 а-сурет). Егер де үлгі табандарын майласақ (мысалы, парафинмен), демек үйкеліс күшін азайтсақ, онда куб көлденең бос кеңудің әсерінен вертикальді жарыкшақтарға бөлініп, бірнеше кесектерге ыдырайды (4 ә-сурет). Пресс плиталарына таянатын (орнатылатын) аудандарына май жағылған кубтың сығу беріктігінің шегі майланбаған куб беріктігінің 50 пайызы шамасында.

4-сурет. Морт материалдар қирауының схемасы: а - кәдімгі кубты сыққанда; ә- жоғарғы және төменгі табандары майланған кубты сыққанда.

Үлгілердің беріктілік мөлшері оларға сыртқы күштердің түсу жылдамдығына да байланысты. Егер күш стандарттағы көрсетілгеннен гөрі тез түссе (берілсе), онда сынның қорытындысы, яғни үлгінің беріктілігі жоғары болады, өйткені мұның салдарынан үлгі де пайда болатын пластикалық деформациялар күш түсуінің жылдамдығына сәйкес тез өсе алмай калады.

Келтірілген мысалдар құрылыс материалдарының беріктілігін анықтау үшін олардың формасы, өлшемдері, сығылатын табан бетінің сипаттамасы және оларға күш түсуінің жылдамдығы әр түрлі материалдарды сынауға арналған стандарттарда көрсетілген талаптарга сәйкес болуын баяндайды.

3 және 4 - кестелерде құрылыс материалдарының түрлеріне сәйкес олардың әртүрлі беріктіктерін анықтау үшін колданылатын үлгілердің формасы, өлшемдері, есеп формулалары көрсетілген.

3-кесте

Материалдардың сығуга беріктілігін стандарттық әдістермен аңықтау схемасы

Үлгі	Эскиз	Есептеу формуласы	Материал	Стандартты үлгінін мөлшері, см

Куб		R=P/a²	Бетон	15х15х15
Құрылыс ерітіндісі	7,07х7,07х7,07
Табиғи тас	5х5х5 10х10х10 15х15х15 20х20х20
Призма		R=P/a²	Бетон	а = 10; 15; 20 h = 40; 60; 80
Ағаш	а = 2; h = 3
Құрамалы үлгі		R=P/S	Кірпіш	а=12; в=12,5; h=14
Цемент-құм ерітіндісінің немесе гипстен жасалынған призма үлгінің жартысы		R=P/S	Цемент	а=4
Гипс	S=25 см²
Жарықшақ немесе малта тастың цилиндрдегі үлгісі		Va= (m₁-m₂)/ m₁×100	Бетонның ірі толтырғыштары	d=15 h=15

4-кесте

Материалдың созуга және июге беріктіктерін стандартты әдістермен анықтау схемасы

Улгі	Сынау схемасы	Есептеу формуласы	Материал	Стандартты ұлгінің мөлшері, см

Стержень, сегізше, призма	Созуға сынау	Rсозу=P/a²	Бетон	5х5х5 10х10х10
Rсозу=4p/pd²	Болат	d=1 l=10
Призма кәдімігі кірпіш	Июге сынау	Rию=3Pl/3bh²	Цемент	4x4x4
Кірпіш	12x6,5x25
Призма		Rию=Pl/bh²	Бетон	15x15x60
Ағаш	2x2x30

Беріктігіне байланысты материалдар маркаларға бөлінеді. Беріктік арқылы белгіленген марка материалдар қасиеттерінің ең маңыздысы. Нормативтерде марка кгс/см² өлшемінде келтіріледі; мысалы, портландцементтің маркасы 400; 500; 550; 600. Маркасы жоғарылаған сайын материалдардың конструкциялық сапасы жақсарады.

Беріктігі (R) жоғары, ал орташа тығыздығы (Dо) төмен материалдарды ең жақсы конструкциялық материалдар дейді. Олар конструкциялық сапа коэффициенті (к.с.к.) деген тұсінік аркылы сипатталынады:

к.c.к.=R/Dо (15)

Бұл коэффициенттің мөлшері жоғарылаған сайын материалдың тиімділігі артады.

Практикада (іс жүзінде) материалдың беріктігін жоғарыда көрсетілген әдістерден басқа, мысалы, үлгіні қиратпай, оның бойын ультразвук жіберу әдісі немесе өзге тәсілдер арқылы табу да қолданылады. Мұндай әдістер әсіресе құрылыста орнатылып қойылған конструкциялардың беріктігін анықтау үшін пайдаланылады.

Қаттылық деп материалдың оған өзінен гөрі қатты денені батырғанда туатын жергілікті пластикалық деформацияға кедергі көрсету қасиетін атайды. Тастардың, минералдардың қаттылығын Моос шкаласы деп аталатын 10 минерал арқылы анықтайды. Мұнда әр келесі минерал ұшқыр қырымен өткен минералды тырнағанда онда із қалдырады. Осыған байланысты тастар мен минералдар төмендегі таблицада келтірілген 10 қаттылық көрсеткіштерімен сипатталынады.

Ағаштың, металлдың, бетонның, т.б. бұларға ұқсас материалдардың каттылығы оларға болат шарикті немесе конус я пирамида түрінде істелінген қатты ұшты батыру (ендіру) арқылы аныкталынады. Осындай сынаудан соң төмендегі формула арқылы материалдың қаттылыұ саны (HB) табылады:

НВ = P/S (16)

мүңдағы Р - материалга түсетін күш, кгс; S - шариктің денеде қалдырған ізінің ауданы, см².

5 – кесте

Қаттылық көрсеткіші	Минералдың	қаттылық сипаттамасы
аты	химиялық формуласы
	Тальк	3MgO×4SiO₂×H₂O	Тырнақпен оңай тырналады
	Гипс	CaSO₄×2H₂O	Тырнақпен тырналады
	Кальцит	CaCO₃	Болат пышақпен оңай тырналады
	Флюорит (балқығыш шпат)	CaF₂	Пышаққа аздап күш түсіргенде тырналды
	Апатит	Ca₅(PO₄)_3F	Пышаққа біраз күш түсіргенде тырналады
	Ортоглаз	K₂O×Al₂O₃×6SiO₂	Шыныны тырнайды
	Кварц	SiO₂	Шыныны оңай тырнайды; түрпілі (уатқыш, қатты) Материалдар ретінде қолданылады
	Топаз	Al₂ (SiO₄)(FOH)₂
	Корунд	Al₂O₃
	Алмас	C

Материалдардың қаттылығынан олардың үйкелістен ұнталуы тәуелді: қаттылығы асқан сайын үйкелістен ұнталуы төмендейді, яғни материал аз ұнталады, үйкеліске шыдамды келеді.

Үйкеліске төзімділік - материалдың алғашқы салмағының үйкелістен кемуін (Г) сынға тап болған бетінің ауданына (см²) шаққандагы мөлшермен бағаланады да, мына формуламен есептелінеді:

Ү = (m₁– m₂) / S (2.17)

мұндағы: m₁, m₂- материалдың үйкелістен бұрынгы және үйкелістен кейінгі салмағы; S - үлгінің сыналған бетінің ауданы.

Материалдың үйкеліске кедергілігі стандартталған әдіспен: үйкеліс туғызатын айналып тұратын дөңгелек және түрпілі (уатқыш, қатты) заттардың (кварцті құм немесе зімпара) көмегімен анықталынады. Бұл қасиеттің материалдарды жолда, еденде, басқыштарда колданылуы үшін маңызы зор. Осындай кұрылыстарда көп пайдаланылатын материалдардың үйкеліске төзімділігі, г/см², төмендегідей: кварциттікі 0,06-0,12; граниттікі - 0,1-0,5; еденге төсейтін керамикалық плиткалардыкі (тақталанған бұйымдардыкі - 0,25-0,3; мәрмәрдікі - 0,3-0,8.

Тозуға төзімділік деп материалдардың үйкеліспен ұрудың қатар (бір мезгілде) тигізетін әсеріне кедергі көрсеткіш қасиетін атайды. Материалдардың тозуын болат шарлары бар немесе оларсыз айналғыш барабандарда сынайды. Тозу көрсеткіші материалдың сынға түскеннен кейін жоғалтқан салмағымен (алғашқы салмағынан % есебінде) сипатталынады.

Осы 2-тарауда материалдармен бұйымдардың негізгі физика-механикалық қасиеттері қаралды. Кейбір материалдардың тек өзіне тән қасиеттері, мысалы байланыстыргыш заттардың ұнтақтылық дәрежесі, цемент, гипс және құрылыс ерітінділерінің нормалық коюлығы, бетон араласпасының қалыпқа ыңғайлы салынғыштығы, олардың қоршаған ортада төзімділігін баяндайтын химиялық, физика-химиялық қасиеттері сол материалдарга арналған тарауларда қаралды.

Құрылыс материалдары мен бұйымдарының кейбір қасиеті олардың физикалық, механикалық, химиялық қасиеттерінің материалға тигізетін әсерінің корытындысы ретінде каралады. Сонын бірі - ұзақуакыттылық.