Struktura a vlastnosti stavebnch hmot Cvien 2 Ing
Struktura a vlastnosti stavebních hmot Cvičení 2 Ing. Pavel Mec pavel. mec@vsb. cz F 210
Směs a složka • Složka = „základní látka“, která je tvořena stejnými částicemi • Směs = látka, která se skládá z více složek. Prakticky všechny reálné látky. • Složku můžeme ze směsi izolovat (chemicky, mechanicky, chemicko – fyzikálními postupy) • Pokud jedna složka ve směsi výrazně převládá, hovoříme o jednosložkových látkách • Základní fyzikální vlastností látky je SKUPENSTVÍ … jaká skupenství znáte ?
Pevné látky • Krystalické: chemickými pochody vznikají krystaly (vazby mezi atomy, molekulami, ionty), stavba krystalové mřížky a druh vazeb je rozhodujícím faktorem pro fyzikálně – mechanické vlastnosti látky • Amorfní: látka nevytváří krystaly • Heterogenní a homogenní látky • Heterogenní pórovité: póry jsou vyplněny vzduchem, jiným plynem, vodou • Heterogenní zrnité: fáze (složka) netvoří jednu kostru ale je rozdělena do zrn • Kompozity a hybridní kompozity: hybrid = kompozit z odlišných látek • Inteligentní materiály
Základní fyzikální vlastnosti Takové vlastnosti, které charakterizují materiál, surovinu a od těchto vlastností se odvíjejí další vlastnosti. Jsou to: • Objemová hmotnost • Hustota • Pórovitost • Vlhkost • Zrnitost
Objemová hmotnost a hustota Objemová hmotnost: Je hmotnost určitého objemu látky, včetně pórů a mezer ρV = m/V Hustota: Je hmotnost určitého objemu látky bez pórů, dutin a mezer ρ = m/Vh
Rozdíl mezi objemovou hmotností a hustotou Objemová hmotnost dřeva smrk 400 - 500 kg/m 3 bříza 600 - 700 kg/m 3 akát 700 – 1000 kg/m 3 eben Nad 1000 kg/m 3 Hustota dřeva Pod pojmem hustota dřeva rozumíme objemovou hmotnost dřeva (technická terminologie) Hustota dřeva (jako fyzikální pojem) = hustota dřevní hmoty a je pro všechny druhy dřev stejná cca 1500 kg/m 3
Objemové hmotnosti některých stavebních materiálů materiál kg/m 3 hutný beton 2 200 pórobeton 580 perlitová omítka 500 pěnový polyuretan 30 lepenka IPA s těžkou vložkou 1 280 cihla plná pálená 1 800 dřevo 600
Pórovitost Poměr objemu pórů v určitém množství materiálu k celkovému objemu tohoto materiálu se nazývá (celková) pórovitost. Pórovitost se vyjadřuje jako poměr (tzn. bezrozměrné číslo) nebo v %. Druh pórů ovlivňuje některé další fyzikálně – mechanické parametry materiálů. Druhy pórů: • Otevřené • Uzavřené
Mezerovitost je charakteristickou vlastností pro sypké materiály. Vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému objemu určitého množství sypké látky. Mezerovitost je proměnnou vlastností, která je závislá od míry zhutnění (setřesení) sypkého materiálu. M = Vcelkový – Vh – Vpórů/ Vcelkový Kde: Vh= objem vlastního materiálu bez dutin, pórů a mezer
Zrnitost je důležitá vlastnost sypkých látek. Zrnitost je poměrná skladba zrn jednotlivých velikostí. Na zrnitosti závisejí další fyzikálně – mechanické vlastnosti, např. : • Mezerovitost • Propustnost • Sypná hmotnost • Stlačitelnost • Tepelné a akustické vlastnosti
Vlhkostní vlastnosti materiálů Vlhkostní vlastnosti souvisejí s pórovitostí materiálů a ovlivňují další fyzikálně – mechanické vlastnosti, např. : • Objemovou hmotnost • Mrazuvzdornost • Měrnou tepelnou vodivost • Pevnostní a tuhostní vlastnosti Vlhkost se vyjadřuje jako množství vody (volné, vázané) ku celkovému objemu (hmotnosti) materiálu.
Vlhkostní vlastnosti pórovitých materiálů Voda se v pórovitých materiálech vyskytuje jako: • Volná (vyplňuje dutiny a póry) • Vázaná (molekuly vody jsou navázány na molekuly látky ve struktuře materiálu) • Kapilární vody (vyplňuje mikrodutiny a mikropóry) Zdroje vlhkosti: • Výrobní • Zemní • Sorpční (přijímaná z okolního vzduchu) • Zkondenzovaná • Provozní
Vlhkostní vlastnosti - nasákavost Maximální množství vlhkosti, které může být v materiálu obsaženo se vyjadřuje pomocí nasákavosti. Nasákavost: • Objemová: udává, kolik % objemu v nasáklém vzorku tvoří voda (od 0 do 100%) • Hmotnostní: udává poměr hmotností mezi suchým a nasáklým vzorkem (může být větší než 100%)
Mechanické vlastnosti vyjadřují schopnost materiálu odolávat mechanickému namáhání (v konstrukci zatížení). Jsou to: • Pevnost (v tahu, tlaku, ohybu, příčném tahu, smyku) • Tuhostní charakteristiky (modul pružnosti, modul přetvárnosti) • Houževnatost a křehkost • Součinitel příčné roztažnosti (Poissonův součinitel) • Tvrdost a obrusnost • Trvanlivost , resp. odolnost proti cyklickému namáhání
Pevnost • Pevnost strukturní (teoretická): skutečná pevnost, tzn. kvalita vazebných sil mezi atomy, molekulami, … pro praktické použití ve stavebnictví není laboratorní určování této pevnosti podstatné • Pevnost technická: je pevnost zjištěná laboratorně na určitém vzorku, normalizovaným postupem. Určování technické pevnosti je náplní tohoto předmětu • Pevnost statistická: na každém vzorku naměříme jinou technickou pevnost, tyto údaje statisticky zpracujeme. Pro praktické použití ve stavebnictví se používá statistická pevnost.
Modul pružnosti Vyjadřuje vztah mezi silou F působící na těleso (materiál) a deformací ∆l Síla vytváří v materiálu napětí σ, které můžeme odvodit ze vztahu: σ = F/A Kde: A je plocha, na kterou síla působí. Plocha se uvažuje svou počáteční velikostí Zatěžované těleso (materiál) se působením síly deformuje, poměrnou deformaci ε vypočítáme ze vztahu: ε = ∆l/l Kde: ∆l je deformace a l je původní rozměr (délka, šířka, výška…)
Modul pružnosti a Hookeův zákon Při malých zatíženích vznikají malé deformace, které při odtížení zmizí, nazýváme je pružné deformace. Hookeův zákon (1676) popisuje vztah mezi napětím a pružnou deformací: E=σ/ε G=τ/γ Kde: E je Youngův modul (modul pružnosti v tahu) G je modul pružnosti ve smyku
Pracovní diagram dřeva při zatížení smykem rovnoběžně s vlákny
Pracovní diagram dřeva při zatížení smykem rovnoběžně s vlákny
Moduly pružnosti různých materiálů materiál Modul pružnosti E (Mpa) ocel 210 000 cihla 9 000 dřevo 10 000 beton 16 000 skelný laminát 20 000 sklo 50 000 hliník 65 000
Tepelné vlastnosti Tepelně – fyzikální: • Tepelná vodivost • Tepelná kapacita Tepelně – technické: • Tepelná jímavost • Součinitel teplotní vodivosti • Tepelný odpor vrstvy materiálu
Šíření tepla • Vedením • Prouděním • Sáláním Způsob šíření tepla v materiálu je závislé na vlastnostech materiálu: • Pórovitosti • Struktuře • Teplotě • Typu materiálu (kov – nekov) V pevných látkách se teplo šíří vedením. V pórech a mezerách se uplatňují i přenosy tepla sáláním a prouděním.
Teplotní lineární délková roztažnost Při zahřívání a ochlazování materiálů dochází k jejich vratným délkovým a objemovým změnám. Tyto změny můžeme vyjádřit vztahem: ∆L = α. L 0. ∆T Kde: α je součinitel lineární teplotní roztažnosti L 0 je délka při výchozí teplotě ∆T je změna teploty
Akustické vlastnosti Potlačení odrazu zvukových vln (kinosály, divadla, zasedací místnosti, …) – pohlcující konstrukce Potlačení přenosu zvukových vln (dělicí stěny mezi byty, podlahy, …) – zvukoizolační konstrukce Materiály z hlediska jejich vhodnosti: • Akusticky měkké • Akusticky tvrdé
Materiály pro neprůzvučné konstrukce • Přenos zvukových vln mezi dvěma prostory přes materiál musí probíhat s určitou ztrátou akustického výkonu • Jednoduché a vrstvené konstrukce Neprůzvučnost jednoduchých konstrukcí záleží na: - Objemové hmotnosti - Dynamickém modulu pružnosti (rychlost šíření zvukových vln) - Ztrátovém činiteli
Chemické vlastnosti stavebních hmot vyjadřují schopnost účastnit se chemických reakcí při kontaktu s jinými stavebními materiály nebo v určitém prostředí. • Materiálová kompatibilita • Stárnutí a koroze • Chemické procesy při výrobě a likvidaci materiálů vzhledem ke složkám životního prostředí
Materiálová kompatibilita • Iontová výměna (galvanický článek) – mezi některými kovy, např. : Fe + Cu, • Kovy a prostředí - např. : železné kovy + hořečnatá maltovina, olovo + acetátové tmely, hliník + čerstvá omítka a beton, • Jiné nekovové materiály – např. POLYSTYREN a některé lepenky a lepidla (aromatické uhlovodíky, změkčovadla) …atd…
Stárnutí a koroze • Souvisí s trvanlivostními vlastnostmi materiálů • Je způsobeno vnějšími vlivy (prostředím) a trváním zatížení • Důsledkem je změna struktury materiálů (molekulární struktura) a postupný rozvoj trhlin, deformací, … • Působení rostlin a živočichů = biokoroze • Koroze může probíhat na vzduchu, ve vodě, v podzemí, … • Vliv teploty, UV záření, mechanický a chemický účinek venkovního prostředí (´déšť, mráz, …)
Elektrické a magnetické vlastnosti • Je nutné zjišťovat pro materiály, které se uplatňují na stavbách se zvláštními požadavky (telekomunikační věže a pomocné konstrukce pro jejich technologická zařízení, energetika, provozy s výbušným prostředím, apod. ) Nejčastěji: elektrická vodivost podlah • Antistatická dlažba do elektricky vodivého tmele s uzemněním
Ekologické vlastnosti • Dokladuje se ekologickým značením výrobku (I. , II. A III. Typu) • Pro jednotlivé typy značení jsou různé metodiky zjišťování „ekologičnosti“ výrobku (materiálu) • Neexistují jednotné požadavky a metodika, pro každý účel musí být požadavky kladeny zvlášť (projekt, EIA, IIPC, vyhláška, předpis, správní rozhodnutí, …) • Bezpečnostní listy výrobků (složení, účinky, likvidace, …) • LCA analýza = hodnocení produktu „od kolébky po hrob“, tzn. Od zdrojů (suroviny, doprava, energie pro výrobu až po recyklaci nebo jinou formu likvidace)
Recyklovatelnost • Možnost opětovného využití materiálu, prvků, nebo celých konstrukcí. • Materiály: beton, cihelná drť, plastové materiály apod. • Prvky: Nosníky, vazníky, keramické vložky, ocelové profily apod.
Požární vlastnosti • Charakterizují reakci materiálu (častěji konstrukce) na oheň • Musí být ověřovány zkouškami nebo výpočtem (např. podle Eurokódů) Hodnotí se: • Hořlavost (nehořlavé, nesnadno hořlavé, těžce hořlavé, středně hořlavé, hořlavé) • Šíření plamene (index šíření plamene) • Ostatní (vznik jedovatých spalin, odkapávání roztavené hmoty, …)
- Slides: 32