PROPRIETATI GENERALE ALE MATERIALELOR

PROPRIETĂŢI GENERALE ALE MATERIALELOR

Generalitati

Utilizarea materialelor se face pe baza unor proprietati fizice si mecanice care le fac apte pentru a fi puse în opera. Aceste proprietati se determina în laboratoare specializate, prin analize si încercari, pe probe recoltate conform normativelor.

Prin analize se determina compozitia chimica si mineralogica a materialului.

Încercarile permit determinarea proprietatilor fizice si mecanice ale materialului luat ca un întreg.

Exista doua categorii principale de încercari:

încercari distructive, prin solicitari mecanice care distrug proba (epruveta),

încercari nedistructive (care, deoarece nu distrug materialul, se pot face si pe materiale puse deja în lucrare, permitând observarea constructiilor în timp).

Încercarile se fac pe probe obtinute în conditiile din standard. Unele probe sunt sub forma de corpuri de proba (epruvete) de forma si dimensiuni standardizate. Alte probe constau în cantitpti de material care se aleg dupa diverse criterii (de exemplu: aggregate, var, etc.).

Proprietati fizice ale materialelor

Densitatea

Se determina prin metode adecvate fiecarui tip de material. Se poa 131j92b te discuta de: densitate absoluta, densitate aparenta, densitate în gramada (în vrac) si densitate în stiva (mai ales pentru material lemnos).

Densitatea reprezinta masa unitatii de volum exprimata în kg/m³.

Densitatea absoluta:

în care: m - masa probei (kg),

V - volumul absolut (fara goluri sau pori; m³).

Cu cât r este mai mare cu atât este de asteptat ca rezistentele mecanice sa fie mai ridicate.

Densitatea aparenta:

în care: V_a - volumul apparent al epruvetei (probei) incluzând volumul porilor si al golurilor interioare.

Densitatea aparenta redusa indica bune proprietati fono si termoizolante. Tot densitatea aparenta se foloseste în calculul greutatii constructiilor.

Câteva valori ale acestor caracteristici sunt date în tabelul de mai jos (1.1).

Tabelul nr. 1.1

Densitatea în gramada se determina pentru materiale granulare (de exemplu: nisip, pietris, balast, .):

în care: V_g - volumul de material granular (incluzând si golurile dintre granule).

Densitatea în gramada se poate exprima pentru starea afânata sau îndesata a materialului.

Densitatea în stiva se determina în special pentru lemn dar se poate utiliza si pentru prefabricate, caramizi, etc.:

în care: V_s - volumul stivei.

Compactitatea

Compactitatea carcterizeaza gradul de umplere cu material solid al unitatii de volum de material poros. Se exprima în procente. Pentru materiale compacte (ex. sticla) ea va fi 100%:

(%)

în care sau folosit notatiile de mai sus.

Porozitatea si volumul de goluri

Porozitatea reprezinta, în procente, volumul total de pori si goluri din unitatea de volum de material poros (volum aparent). Se poate determina o porozitate totala:

Se poate determina si o porozitate deschisa (spre exteriorul epruvetei) sau aparenta (P_a):

Porozitatea deschisa este legata de absorbtia de apa si influenteaza permeabilitatea si rezistenta la înghet-dezghet a materialului. Se determina prin saturarea cu apa a probei.

Porozitatea închisa (P_i)de determina prin diferenta:

Pentru materialele granulare se determina volumul de goluri (volumul de spatii libere dintre granule la unitatea de volum de material în gramada - în stare afânata sau îndesata). Se obtine prin saturarea cu apa a materialului granular aflat într-un vas etalon.

Proprietati legate de contactul cu apa

Absorbtia de apa se determina prin saturarea cu apa a materialului si este proprietatea materialului de a absorbi si de a retine apa. Se poate raporta apa absorbita la masa probei (absorbtie masica, A_m) sau la volumul ei aparent (absorbtie volumica, A_v).

în care: m_s-masa probei saturate

m-masa probei uscate

Cantitatea de apa pe care o contine un material reprezinta umiditatea.Se poate discuta de o umiditate relativa (U_r) si de o umiditate absoluta (U_a).

în care: m_u-masa materialului cu umiditatea care trebuie determinata

m-masa materialului uscat în etuva pâna la masaa constanta (la 105⁰C).

Stabilitatea la apa se studiaza mai ales pentru materialele care lucreaza în structuri de rezistenta în stare saturata cu apa pe termen lung. Coeficientul de stabilitate la apa este K:

În care:R_s-rezistenta la compresiune a materialului saturat cu apa

R_u-rezistenta la compresiune a materialului uscat.

Permeabilitatea este proprietatea materialelor de a lasa apa sub presiune sa le penetreze.Coeficientul de permeabilitate reprezinta cantitatea de apa care trece prin unitatea de suprafata si de grosime a probei în unitatea de timp, la o diferenta de presiune de o unitate (K_p):

în care: Q-cantitatea de apa penetrata prin proba,

S-suprafata perpendiculara pe directia de penetrare a apei,

t-timpul(durata probei),

Δ_p-diferenta de presiune,

l-grosimea probei.

Permeabilitatea este datorata în special porilor capilari si depinde de distributia lor.Exista si situatia în care materiale au o buna impermeabilitate deoarece porii nu comunica între ei(de exemplu:betoane preparate cu aditivi antrenori de aer).

Pentru determinare se foloseste un echipament numit permeametru.

Se determina în special pentru betoane si se exprima prin urmatoarele clase:P₂¹⁰,P₄¹⁰,P₈¹⁰,P₁₂¹⁰,etc.(2,4,8,12-presiuni în bari- sau atmosfere- la dare apa patrunde în proba pe înaltimea de10 cm în cazul determinarii conform normativului)

Rezistenta la înghet-dezghet sau rezistenta la gelivitate este proprietatea unui material saturat cu apa de a nu pierde din rezistenta mecanica sau din masa o parte mai mare decat cea admisa de normativ.

Pierderea de rezistenta se datoreaza cresterii de volum de circa 9% a apei care îngheata si tensiunii induse în structura intima a materialului.

Rezistenta slaba la gelivitate (înghet-dezghet repetat) au materialele cu pori capilari deschisi.

Coeficientul de inmuiere la gelivitate este:

în care: R_u-rezistenta la compresiune a probei martor uscate,

R_g-rezistenta la compresiune a probei supuse la inghet-dezghet (la un numar de cicluri dorit).

Pentru beton aceasta proba este foarte importanta.Probele se satureazaîn apa la 20+5⁰C si apoi se tin 4 ore la congelator la -15- -20⁰C (apoi ciclul se repeta de n ori),

Pentru beton se discuta de clasele de gelivitate G₅₀,G₁₀₀,G₁₅₀ (cifrele reprezinta numarul de cicluri de inghet-dezghet la dare a rezistat proba fara apierde mai mult de 25% din rezistenta la compresiune fata de martor sau peste 5% din masa,prin exfoliere).

Proprietati termice ale materialelor

Încalzirea materialelor organice (polimeri) produce urmatoarele efecte:

-înmuierea, între anumite limite de temperatura, ceea ce permite prelucrarea acestor materiale(mase plastice),

-descompunerea, cu degajare de gaze combustibile(ca H₂,CH⁴,etc)(la anumite temperaturi :autoaprinderea)

Încalzirea materialelor anorganice produce efectele urmatoare:

-marirea porozitatii(disociere termica)

-pierderea apei de cristalizare(de exemplu:ghips-ipsos)

-reducerea porozitatii prin topire partiala: sub 8%-clincherizare, sub 2%-vitrificare,

-topirea partiala sau totala, în functie de temperatura si material

NOTĂ. Se numesc materiale refractare acele materiale care se înmoaie si se deformeaza sub propria greutate la temperaturi peste 1580⁰C

-unele materialese exfoliaza la temperaturi ridicate(beton,unele roci)

-unele materiale se distrug prin soc termic(variatie brusca de temperatura;de exemplu:sticla)

Refractaritatea este proprietatea materialelor de a rezista un timp îndelungat la temperaturi ridicate.Din acest punct de vedere se poate prezenta urmatoarea clasificare:

-materiale fuzibile-se înmoaie la temperaturi sub 1350⁰C (de exemplu:caramizile),

-materiale greu fuzibile-se înmoaie între 1350-1580⁰C,

-materiale refractare-suporta temperaturi de peste 1580⁰C (de exemplu:samota)

Rezistenta la foc, la temperaturi de circa 1000⁰C, face ca materialale sa se comporte ,ai bine sau mai rau la incendii.În functie de comportarea la foc avem:

-materiale combustibile(polimerii),

-materialegreu combustibile(lemnul impregnat cu substante ignufuge),

-materiale necombustibile(nu ard dar se deformeaza prin pierderea rezistentei mecanice:otel).

Conductivitatea termica este proprietatea materialelor de a permite trecerea caldurii prin masa lor atunci când între fetele elementului de constructie exista o diferenta de temperatura.

Coeficientul de conductivitate termica redus da unor materiale caracterul de materiale izolante(în principiu,materiale care au volum mare de pori si densitate aparenta redusa).Deoarece apa are un coeficient de conductivitate termica mai ridicat decât aerul (de 25 de ori) rezulta ca materialele umede sau saturate conduc mai bine caldura decât cele uscate (izolatiile termice trebuie mentinute uscate).

Materiale cu conductivitate termica ridicata sunt metalele (otel,aluminiu,cupru-în ordinea crescatoare a conductivitatii termice).

Dilatarea termica este cresterea dimensiunilor si a volumului matrialului prin încalzire.Coeficientul de dilatare liniara (α) reprezinta alungirea (Δl) unitatii de lungime pentru o crestere a temperaturii cu un grad:

(grad^-1)

în care: l₀-lungimea la începutul încalzirii

ΔT-cresterea de temperatura.

Similar se defineste coeficientul de dilatare volumica(γ):

(grad^-1)

Din punctul de vedere al dilatarii termice exista materiale izortope(se dilata la fel în toate directiile) si materiale anizotrope.

Prin solicitari termice repetate materialul ppoate ceda prin oboseala termica.

Pentru unele materiale fragile se pune problema rezistenta la soc termic (sticla,ceramica,roci monominerale-marmura),

Rezistenta la soc termic este mare la materialele cu coeficienti de dilatare redusi si cu structura omogena.

Proprietati fizico-mecanice ale materialelor

1.3.1.Generalitati

Rezistenta mecanica a unui material este capacitatea acestuia de a rezista la tensiunile interioare(eforturi) care apar în structura ca urmare a incarcarilor exterioare.

Încarcarile se fac distructiv sau nedistructiv, pe epruvete de forma si dimensiuni standardizate, cu masini si echipamente standardizate.

Valorile rezistentelor mai depind si de viiteza de aplicare aînarcarilor(viteza mica-încarcari statice, viteza mare-încarcari dinamice) si de existenta sau inexistenta frecarii între epruveta si platanele masinii de încercari(presei).

Efortul unitar care apare ca urmare a aplicarii încarcarii exterioare este efort normal(σ) si efort tangential(τ). În solicitarile simple (compresiune,tractiune) ele se determina prin raportul între forta care actioneaza (F) si sectiunea initiala a epruvetei(S₀):

(N/mm²;daN/cm²;MPa)

cu relatia de transformare :1N/mm²=1Mpa=10daN/cm²

1.3.2.Deformatii mecanice

În urma solicitarilor mecanice materialele îsi modifica forma sau dimensiunile (uneori,ambele) .Aceste modificari se numesc deformatii mecanice. Se pot întâlni urmatoarele tipuri:

-deformatii elastice,

-deformatii plastice,

-deformatii vascoase,

-deformatii mixte(elasto-plastice,etc).

Dupa marimea deformatiilor produse înaunte de rupere exista:

-materiale tenace-cu deformatii plastice mari înainte de rupere(cupru,aluminiu,oteluri de mica rezistenta,etc),

-materiale fragile-cu deformatii foarte mici înainte de rupere(fonta,otelurile de mare rezistenta,sticla,piatra,betonul.etc).

NOTĂ. Unele materiale poroase sunt influentate de umiditatea si pot suferi deformatii de contractie-umflare. Contractiile se produc la uscarea materialului si dau întinderi în structura materialului. Umflarile se produc prin crestere umiditatii si dau compresiuni în structura materialului.

Deformatiile materialului prin contractioe-umflare se exprima în mm/m.

Exemple de materiale care sufera asemenea deformatii: lemnul.betonul.etc.

Deformatia elastica este reversibila si dispare la încetarea actiunii fortei exterioare.

Deformatia plastica este ireversibila deoarece în structura materialului se produc ruperi ale legaturilor chimice si modificari ale ordinii particulelor constituente.

In practica orice deformatie elastica este însotita de o minima deformatie plastica. Limita de elasticitate este solicitrea pâna la care deformatia elastica predomina iar cea plastica este foarte redusa si în limite acceptate(la metale, de exemplu 0,01% din deformatia totala).

În procesul de deformatie elastica se au în vedere:

-alungirea specifica longitudinala (sau scurtarea specifica (la compresiune)):

în care: Δl-alungirea,

l₀-lungimea initiala.

-contractia specifica transversala (sau dilatarea):

in care: Δb-îngustarea sectiunii,

b₀-latimea initiala a sectiunii.

-modulul de elasticitate(YOUNG):

in care: σ_e-efort uniotar la limita de plasticitate

(E=efortul necesar producerii unei deformatii longitudinale unitare)

Relatia σ =E*ε este numita legea lui HOOKE.

-modulul de elasticitate transversal:

Fig.1.1

in care: τ-efort unitar tangential,

φ-deformatie unghiulara specifica(variatia unghiului de 90⁰ din structura).

-coeficientul lui POISSON (sau coeficientul de contractie):

Dupa valorile constantelor elastice E, G, μ, masurate pe diferite directii materialele se pot împarti în:

-materiale anizotrope- se comporta diferit pe diferite directii (au stratificate, inele, fibre; de exemplu: rocile sedimentare, lemnul),

-materialeizotrope- au o comportare elastica identica pe toate directiile (structura amorfa sau cristalina foarte fina; de exemplu:otelul, sticla, cuprul, cauciucul,etc).

Deformatiile plastice apar la solicitari care duc la depasirea limitei de elastiocitate (proportionalitate). Sunt deformatii permanente, care ramân si dupa încetarea actiunilor exterioare si se datoreaza ruperii interne si repozitionarii particulelor materialului. Trebuie remarcat ca schimbarea de forma nu duce la distrugerea materialului.

Se defineste fluajul ca o deformatie plastica produsa fara depasirea limitei de elasticitate dar sub actiune de lunga durata. Pentru beton , deformarea sub propria greutate în timp îndelungat se numeste curgere lenta.

Deformatiile vâscoase se mai numesc si deformatii de curgere si sunt specifice corpurilor vâscoese, cu structura amorfa ( de exemplu: bitumul la anumite temperaturi, înainte de topire, în butoaie de carton, mortar sau beton proaspat,etc).

Curbe caracteristice efort-deformatie

În mod traditional, comportarea materialelor la solicitari mecanice se studiaza cu ajutorul diagramei efort-deformatie (σ-ε) la solicitarea de întindere (mai rar compresiune).

Pentru materialele tenace diagrama ar putea avea aspectele urmatoare:

Fig. 1.2

Fig. 1.3

Pentru materialele cu rupere fragila diagrama are aspectul urmator:

Fig. 1.4

Trebuie precizat ca modul de rupere al aceluiasi material se poate schimba în functie de viteza de încarcare a probei (epruvetei) si de tempperatura.

In figura 1.2 se pot observa fazele comportarii materialului pe durata încarcarii (la întindere):

-punctul 1- σ_p -limita de proportionalitate (E variaza cu 5%),

-punctul 2- σ_e -limita de elasticitate (deformatie plastica de 0,01% din deformatia maxima-σ_0,01),

-punctul 3- σ_c -limita de curgere (se produc deformari neproportionale de 0,02%),

-între punctele 3 si 3^́′ se produce curgerea la efort constant iar din punctul 3^́′ începe ecruisarea (o noua asezare a structurii care permite cresterea efortului unitar pâna la valoarea maxima σ_max - punctul 4),

-punctul 5-σ_r - reprezinta efortul convential de rupere ( el este sub valoarea σ_max doar pentru ca raportarea se face la sectiunea initiala a epruvetei) ; în mod real ruperii iî corespunde punctul 5^́′.

1.3.3.Încercari mecanice distructive

Încercarile mecanice distructive sunt cele care se încheie cu distrugerea epruvetei. În functie de viteza de încarcare ele pot fi statice sau dinamice (vitezele sunt trecute în normativele pentru fiecare material). În probele unice, încarcarea se aplica de la valoarea zero la cea de rupere iar în alte cazuri ea se aplica sub forma unor cicluri de încarcare-descarcare care merg pâna la valori inferioare încarcarii care ar putea rupe în mod direct proba (se numesc încarcari ciclice si au rolul de a permite constatarea comportarii materialului la oboseala mecanica).

Rezistenta la compresiune statica

Se realizeaza la presa, prin aplicarea uniforma a fortei (F) pâna la ruperea epruvetei cu sectiunea initiala S₀ :

(daN/cm² ;N/mm²=MPa)

Rezistenta la intindere statica

Se aplica o întindere axiala (F) la masina universala de încercare (presa) pâna la ruperea epruvetei (sectiunea S₀):

Rezistenta la încovoiere statica

Epruveta se pozitioneaza orizontal, pe doua reazeme si este încarcata perpendicular pe axa longitudinala.

Fig 1.5

M-moment

w-modul de rezistenta

În cazul betonului se poate determina rezistenta la întindere prin incovoiere descrisa mai sus (relatia este empirica-experimentala):

Duritatea se determina prin aplicarea unei forte constante F usupra unei bile (BRINELL) ,piramide (VICKERS) sau asupra unui con (ROCKWELL) din material foarte dur (otel, diamant) în contact cu fata materialului de studuiat (pregatita prin polizare).

Duritatea este raportul între forta aplicata F si suprafata interioara a amprentei lasata pe material(A_b).

De exemplu , duritatea Brinell se determina cu relatia:

în care: A_b-aria calotei sferice,

D-diametrul bilei,

d-diametrul amprentei (d≤D).

Duritatea se poate exprima si prin scara conventionala MOHS elaborata pe principiul zgîrierii:

Se mai pot cita si metode de determinare a densitatii dupa POLDY si dupa SHORE.

Rezistenta la compresiune dinamica (prin soc)

Pentru determinarea acestei caracteristici a materialelor de constructie se lasa sa cada asupra epruvetei -E(cub,cilindru,placa) o greutate de la înaltimea h.

Fig 1.6

Rezistenta la compresiune prin soc este data de raportul între lucrul mecanic excitat de greutatea G (prin caderi repetate pâna la distrugerea probei ) si volumul epruvetei (V):

Rezistenta la încovoiere prin soc (rezilienta)

Asupra unei epruvete (E) paralelipipedice (pe care s-a practicat o slabire de sectiune în forma de V sau U) se lasa sa cada un pendul greu.

Rezistenta (K_h) este raportul intre lucrul mecanic efectuat de pendulul (ciocanul) de greutate G pentru a rupe epruveta cu sectiunea A.

Fig 1.7

Aplicarea loviturii se face pe fata epruvetei opusa zonei preludrate.

Încercari cu caracter ciclic

Cea mai reprezentativa incercare din aceasta categorie este rezistenta la oboseala.

Proba (epruveta ) supusa la aceasta încercare este încarcata si descarcata ciclic, dupa o lege bine definita (de obicei sinusoidala; pot fi si cicluri oscilante, pulsatoriisau alternante). Un exemplu practic de solicitare la oboseala este modul în care sunt solicitate grinzile unui pod, structura unei masini unelte,etc.

Sub sctiunea solicitarilor ciclice în structura materialului apar transformari lente si continui.La anumite materiale (de exemplu betonul ) se dezvolta si se extinde treptat un sistem de microfisuri. În timp rezistenta materialului scade, ajungându-se în anumite limite ale solicitarilor, chiar la ruperea epruvetei sau a elementului de constructie studiat (se pot studia prefabricate sub forma de grinzi, placi,etc).

Ruperea prin oboseala se produce la eforturi mai mari decât cele corespunzatoare incercarilor distructive statice, uneori chiar sub limita de elasticitate si fara deformatii plastice.

Numarul de cicluri pe care îl poate suporta materialul pâna la cedare se defineste ca anduranta.

Exista totusi un efort limita ( σ_l ) sub a carei valoare, oricâte cicluri s-ar produce, materialul nu mai cedeaza prin oboseala.

Rezistenta la uzura este o alta proprietate a materialelor (de exemplu: pardoseli, drumuri) care se determina printr-o încercare cu caracter ciclic.

Epruveta este apasata cu o forta standard pe un disc metalic în rotatie. Pe disc se presara material abraziv (de exemplu nisip silicios) si se executa un numar standardizat de rotatii (cicluri) în functie de material.

Se apreciaza rezistenta la uzura cu relatia:

în care: m-pierderea de masa a probei (kg),

A-suprafata supusa uzurii (în contact cu discul; m²).

1.3.4 Încercari nedistructive ale materialelor

aceste încercari permit apreciarea proprietatilor fizico-mecanice ale materialelor fara distrugerea epruvetelor sau a elementelor de constructie studiate. Din acest motiv se pot utiliza si pe constructii aflate în exploatare.

Totusi ele sunt considerate metode orientative, de control preliominar sau pentru urmarirea în timp a constructiilor.

Se aplica mai multe categorii de încercari nedistructive:

a)      incercari mecanice,

b)      incercari acustice,

c)      incercari atomice,

d)      incercari electrice si electronice.

a)      Metodele mecanice de încercarese bazeaza pe interdependenta întrew rezistenta mecanica si duritate. Se folosesc doua metode mecanice: metoda amprentei (asemanatoare metodei de la determinarea duritatii) si metoda reculului (un berbec metalic proiectat cu o forta data pe suprafata materialului sufera un recul, în functie de duritatea si rezistenta mecanica a materialului). În ambele cazuri aparatele folosite se numesc sclerometre. În functie de amprenta lasata pe fata materialului sau de reculul masurat se citeste rezistenta mecanica din niste diagrame de etalonare (sau se poate calcula).

b)      Metoda acustica consta în strabaterea epruvetei de catre un impuls ultrasonor si masurarea vitezei acestuia în material. În functie de aceasta viteza se poate aprecia rezistenta mecanica (material compact-viteza mare-rezistenta mecanica ridicata; exista curbe de etalonare sau tabele de relatie rezistenta-viteza a ultrasunetelor în material).

Viteza sunetului în aer este de 340 m/s iar în diverse materiale solide ea este cu atât mai mare cu cât rezistenta este mai mare, putând ajunge la 5000m/s.

c)Metoda atomica consta în utilizarea unui fascicul de radiatii γ,x sau neutroni rapizi. Aceste radiatii interactioneaza cu atomii materialului (asemanator cu radiografiile medicale). Se pot determina urmatoarele caracteristici: densitatea, umiditatea, marimea defectelor de material, pozitia armaturilor în beton, dozajul de bitum în betonul asfaltic, etc.

c)      Metodele electrice sau electronice permit determinario ale eforturilor si deformatiilor, modulilor de elasticitate, diametrului si pozitiei armaturilor în beton, etc.

De exemplu, eforturile si deformatiilor pot fi studiate cu marci tensometrice a caror rezistenta electrica variaza cu alungirea sau comprimarea. Curentul care trece prin marcile tensometrice variaza si este masurat cu niste aparate electronice numite punti tensometrice.

Pentru alte caracteristici metodele variaza de la un tip de material la altul.