WYKŁAD - Wybrane cechy techniczne wyrobów/materiałów budowlanych

Opracowała - dr inż. Teresa Rucińska

• Cechy fizyczne materiałów budowlanych

Gęstość - jest to stosunek masy suchego materiału do jego objętości "absolutnej" (bez porów), kg/m³, kg/dm³, g/cm³

m - masa próbki suchej, [g; kg]

V_a - objętość próbki bez porów (objętość absolutna), [cm³; m³]

Gęstość objętościowa - jest to stosunek masy suchego materiału do jego objętości łącznie z porami, kg/m³, kg/dm³, g/cm³

m - masa próbki suchej, [g; kg]

V - objętość próbki z porami (objętość w stanie naturalnym), [cm³; dm³, m³]

Gęstość i gęstość objętościowa wybranych materiałów budowlanych

Rodzaj materiału Gęstość, [kg/dm³] Gęstość objętościowa, [kg/dm³]

DREWNO 1,55 0,45 ÷ 0,95

CERAMIKA 2,70 1,80 ÷ 1,95

BETON ZWYKŁY 2,80 2,00 ÷ 2,20

STAL 7,85 7,85

SZKŁO OKIENNE 2,65 2,65

Oznaczanie gęstości objętościowej - przeprowadza się następującymi metodami:

• bezpośrednią na próbkach regularnych, jeżeli uwarstwienie, pęknięcia i inne cechy strukturalne nie stanowią przeszkody w uzyskaniu próbki o kształcie prostej bryły geometrycznej

• hydrostatyczną , gdy materiał nie odpowiada wymaganiom wymienionym w poprzednim punkcie

Określając gęstość objętościową materiału metodą hydrostatyczną - należy wybrać z partii badanego materiału sześć próbek o kształcie nieregularnym, jednak zbliżonym do graniastosłupa lub sześcianu o wymiarach 40 x 60 mm. Łączna masa próbek nie może być mniejsza niż 0,25 kg.

Wszystkie próbki należy oczyścić z gliny, kurzu itp. zanieczyszczeń oraz ponumerować farbą niezmywalną w wodzie. Następnie próbki wysuszone do stałej masy w temperaturze 105 ÷ 110°C, nasyca się wodą do stałej masy. Po nasyceniu wodą każdą próbkę przeciera się lniana ściereczką i następnie waży z dokładnością do 0,02 g w powietrzu (m₁) oraz całkowicie zanurzoną w zlewce z wodą na wadze hydrostatycznej (m₂). Objętość próbki V oblicza się według wzoru:

w którym:

m₁ - masa próbki zważonej w powietrzu, g

m₂ - masa próbki zważonej na wadze hydrostatycznej, g

ρ - gęstość wody, g/cm³ (przyjmuje się ρ =1 g/cm³)

Gęstość nasypowa (dotyczy tylko materiałów sypkich - np. kruszyw) - jest stosunkiem masy do objętości badanego kruszywa w stanie luźnym lub zagęszczonym, niezależnie od stopnia jego wilgotności.

Oznaczanie gęstości nasypowej dla materiałów sypkich przeprowadza się w cylindrach pomiarowych dobranych pod względem objętości w zależności od wielkości ziarn badanego kruszywa

Szczelność - określa zawartość substancji materiału w jednostce jego objętości :

,
S  1

S - szczelność

- gęstość

_o -gęstość objętościowa

Porowatość - określa zawartość wolnych przestrzeni (porów) w jednostce objętości materiału:

P - porowatość

- gęstość

_o- gęstość objętościowa

S - szczelność

Schemat zawartości porów w materiale.

Wilgotność - jest to zawartość wilgoci w materiale; określa się ją stosunkiem masy wody zawartej w materiale do masy suchego materiału:

m_w - masa próbki w stanie wilgotnym [g],

m_s - masa próbki w stanie suchym [g].

Wilgotność zależy od temperatury otoczenia, ciśnienia panującego oraz wilgotności względnej powietrza. Jest to cecha zmienna.

Nasiąkliwość - jest to zdolność do wchłaniania wody przez materiał - cecha stała

• nasiąkliwość wagowa - określa procentowy stosunek masy wody pochłoniętej przez materiał do jego masy w stanie suchym.

m_n - masa próbki nasyconej wodą [g],

m_s - masa próbki wysuszonej do stałej masy [g].

• nasiąkliwość objętościowa - określa procentowy stosunek objętości wody wchłoniętej przez materiał do objętości tego materiału w stanie suchym.

m_n - masa próbki nasyconej wodą [g],

m_s - masa próbki wysuszonej do stałej masy [g],

V - objętość próbki w stanie suchym.

Przesiąkliwość - jest to zdolność materiału do przepuszczania wody pod ciśnieniem.

Stopień przesiąkliwości mierzy się ilością wody przechodzącej przez 1 cm² próbki w ciągu 1 godziny przy stałym ciśnieniu. Wartość tego ciśnienia zależy od warunków, w jakich dany materiał będzie pracował. Przesiąkliwość materiału zależy od jego szczelności i budowy.

Przepuszczalność pary wodnej - miarą przepuszczalności pary wodnej jest współczynnik paroprzepuszczalności δ, który wyraża ilość pary w gramach, jaką przepuszcza materiał o powierzchni 1 m² i grubości 1 m w ciągu 1 godziny, jeżeli różnica ciśnień pary między przeciwległymi powierzchniami wynosi 1 Pa.

Współczynniki paroprzepuszczalności wybranych materiałów budowlanych.

Rodzaj materiału Współczynnik paroprzepuszczalności

Szkło, blacha 0

Beton zwykły 3 • 10^-5

Cegła pełna 1 • 10^-4

Drewno 6,2 • 10^-5

Beton komórkowy 1,5 • 10^-4

Materiały o większym współczynniku paroprzepuszczalności zastosowane do budowy domów zapewniają w pomieszczeniach lepszy klimat niż materiały o małej jego wartości.

Kapilarność (włoskowatość) - jest to zdolność do podciągania wody przez włoskowate otwarte kanaliki materiału (kapilary) pozostającego w zetknięciu z wodą.

Ze względu na kapilarność materiałów ściennych, podczas wznoszenia budynków, układa się warstwę poziomej izolacji przeciwwilgociowej, która uniemożliwia podciąganie wody z zawilgoconego gruntu.

Schemat oznaczenia włoskowatego podciągania wody przez piasek

Higroskopijność - jest to zdolność materiału do wchłaniania wilgoci z otaczającego go powietrza.

Materiały higroskopijne mają zwykle podwyższoną wilgotność. Małą higroskopijnością odznaczają się np. wyroby ceramiczne.

Przewodność cieplna - jest to zdolność materiału do przewodzenia strumienia cieplnego powstającego na skutek różnicy temperatury na jego powierzchniach. Właściwość tę charakteryzuje współczynnik przewodzenia ciepła  równy ilości ciepła przepływającego w ciągu 1 godziny przez jednolitą (jednorodną) warstwę materiału o powierzchni 1m² i grubości 1m , jeżeli różnica temperatury po obu stronach warstwy wynosi 1K

Współczynnik przewodności cieplnej wybranych materiałów budowlanych

Rodzaj materiału Współczynnik przewodzenia

ciepła suchego materiału, [W/mK]

Styropian 0,037 ÷ 0,045

Płyty pilśniowe porowate 0,058 ÷ 0,069

Drewno sosnowe 0,163 ÷ 0,300

Beton komórkowy 0,160 ÷ 0,275

Mur z cegły pełnej 0,756

Szkło okienne 0,05 ÷ 1,05

Beton zwykły 1,22 ÷ 1,50

Granit 3,20 ÷ 3,50

Stal 58,00

Wartość współczynnika przewodności cieplnej zależy od struktury materiału, jego składu chemicznego i stopnia zawilgocenia. W miarę wzrostu zawilgocenia materiału wartość współczynnika zwiększa się, a zatem izolacyjność cieplna pogarsza się.

Odporność na zamrażanie (odporność wyrobu na zamarzającą wodę w jego porach) - jeżeli materiał nasycony wodą nie wykazuje podczas wielokrotnego zamrażania i odmrażania widocznych oznak rozpadu lub znaczniejszego obniżenia wytrzymałości, mówimy o nim, że jest odporny na zamrażanie.

Ocena mrozoodporności polega na:

• ocenie makroskopowej - stwierdzeniu, czy badany materiał ulega zniszczeniu (powstanie rys, złusczeń, pęknięć, itp.)

• określeniu zmiany masy próbki (max. strata masy wynosi 5%)

• określenie spadku wytrzymałości - porównaniu wytrzymałości na ściskanie próbki przed zamrażaniem i po ostatnim zamrożeniu (max. strata wytrzymałości wynosi 20%)

Zmianę masy S (stratę) oblicza się wg wzoru:

w którym:

m₁ - masa próbki nasyconej wodą przed badaniem, [kg]

m - masa próbki nasyconej wodą po badaniu, [kg]

Współczynnik odporności na zamrażanie W_z oblicza się według wzoru:

w którym:

R_c1 - wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą po ostatnim zamrożeniu, [kg]

R_c2 - wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą przed zamrażaniem, [kg]

Ogniotrwałość - to trwałość kształtu materiału podczas długotrwałego działania wysokiej temperatury.

Do ogniotrwałych zalicza się materiały, które wytrzymują długotrwałe działanie temperatury powyżej 1580°C bez odkształceń i rozmiękczenia (np. wyroby szamotowe).

Ognioodporność - wiąże się z ochroną przeciwpożarową budynków. Nie dotyczy ona jednak poszczególnych materiałów lecz całych elementów budynków (np. ścian, stropów), które mogą być wykonane z więcej niż z jednego materiału.

W zależności od czasu, jaki wytrzymuje element podczas badania kwalifikuje się go do odpowiedniej klasy odporności ogniowej.

Rozszerzalność cieplna - jest to właściwość materiału wyrażająca się zmianą wymiarów pod wpływem wzrostu temperatury.

Wielkością charakterystyczną rozszerzalności cieplnej są:

• współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej  oznaczający przyrost względnej długości materiału przy ogrzaniu o 1°C:

• 
  współczynnik cieplnej rozszerzalności objętościowej  oznaczający przyrost objętości materiału przy ogrzaniu o 1°C.

Współczynniki rozszerzalności liniowej niektórych materiałów budowlanych

Rodzaj materiału Współczynnik rozszerzalności

liniowej  [1/°C]

Materiały kamienne, ceramika, drewno wzdłuż włókien (0,3 ÷ 0,9) • 10^-5

Szkło 0,9 • 10^-5

Betony cementowe i stal 0,12 • 10^-4

Aluminium 0,24 • 10^-4

Radioaktywność naturalna - radioaktywność naturalna materiałów budowlanych wpływa na warunki higieniczno-zdrowotne w środowisku mieszkalnym, może nawet stanowić zagrożenie zdrowia mieszkańców.

To zagrożenie radiacyjne może występować wewnątrz budynków, jak i na obszarach większych aglomeracji, gdzie między innymi są skupione odpady przemysłowe, jak np. żużle paleniskowe i hutnicze. Odpady te z reguły zawierają zwiększone ilości naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w porównaniu z innymi surowcami mineralnymi.

Badania kontrolne polegają na oznaczeniu stężenia: potasu ⁴⁰K [SK], radu ²²⁶Ra [SRa] i toru ²³²Th [STh].

Do oceny badanego materiału przyjęto dwa współczynniki kwalifikacyjne f₁ i f₂:

f₁=0,00027 S_K + 0,0027 S_Ra +0,0043 S_Th 1

f₂ = S_Ra  185 Bq/kg

Pierwiastki radioaktywne mogą być zawarte w surowcach odpadowych, które stosuje się do produkcji materiałów budowlanych.

Wilgotność względna powietrza - wyrażony w procentach stosunek ilości pary wodnej w powietrzu do maksymalnej ilości pary wodnej w powietrzu przy tej samej temperaturze powietrza.

gdzie:

- masa pary wodnej znajdująca się w 1m³ powietrza, kg/m³

- wilgotność nasycenia, maksymalna zawartość pary wodnej znajdująca się w 1m³ powietrza, kg/m³

W celu zminimalizowania ryzyka wystąpienia problemów związanych z korozją, pleśnią i co za tym idzie, estetyką budynku, wilgotność względna (poza sytuacjami tymczasowymi) nie powinna przekraczać 70-80%. Przede wszystkim jednak wyższa wilgotność powietrza od podanej powyżej jest wysoce nie komfortowa dla przebywających w pomieszczeniu ludzi. Dla porównania, średnia wilgotność względna w lesie deszczowym wynosi 75-90%.

Przy zwiększonej wilgotności względnej, np. w profesjonalnych kuchniach, pływalniach, pomieszczeniach prysznicowych lub w pomieszczeniach przemysłowych do przygotowywania żywności, wilgotność powietrza może się znacznie zwiększyć, co prowadzi do tworzenia się skropleń. Dlatego też przed wyborem danego systemu należy dokładnie określić warunki panujące w pomieszczeniu.

• Cechy mechaniczne materiałów budowlanych

Cechy mechaniczne charakteryzują odporność materiału na działanie sił powodujących niszczenie ich struktury. Cechy te zależą od budowy wewnętrznej materiału, jego porowatości, stanu zawilgocenia, kierunku działania sił przy materiałach anizotropowych, temperatury.

Wytrzymałość na ściskanie - wyraża się stosunkiem siły ściskającej F_n do przekroju poprzecznego próbki A:

F_n - siła niszcząca próbkę [N],

A - przekrój poprzeczny próbki sześciennej, prostopadły do kierunku działania siły [mm²].

Wytrzymałość na ściskanie jest to największe naprężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas ściskania.

Schemat oznaczania wytrzymałości na ściskanie

Wytrzymałość na rozciąganie - wyraża się stosunkiem siły rozciągającej F_r do przekroju poprzecznego próbki A:

F_r - siła niszcząca próbkę [N],

A - przekrój poprzeczny próbki sześciennej, prostopadły do kierunku działania siły [mm²].

Schemat oznaczania wytrzymałości na rozciąganie

Wytrzymałość na rozciąganie jest to największe naprężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas rozciągania.

Wytrzymałość na zginanie - jest to naprężenie, które wyraża się stosunkiem niszczącego momentu zginającego M_z do wskaźnika wytrzymałości przekroju W elementu zginanego:

M_z - moment zginający [Nm],

W - wskaźnik wytrzymałości przekroju [m³].

Schemat oznaczania wytrzymałości na zginanie - jeden z przypadków

Jeśli siła ustawiona jest w środku rozpiętości badanej próbki między dwoma podporami, moment zginający wynosi:

gdzie:

F - siła niszcząca [N]

l - rozpiętość próbki między podporami [m]

W wypadku beleczki o przekroju prostokątnym (w tym i kwadratowym) wskaźnik wytrzymałości W obliczamy według wzoru:

w którym:

h - wysokość beleczki [cm]

b - szerokość beleczki [cm]

Twardość - jest to odporność danego materiału na wciskanie weń innego materiału o większej twardości (odporność na działanie siły skupionej).

Zależnie od rodzaju materiału stosuje się różne metody pomiaru.

Wzorce twardości uszeregowane są w skali Mohsa: od 1 (najbardziej miękki - talk) do 10 (najtwardszy - diament).

Badanie twardości przeprowadza się np. dla materiałów przeznaczonych do łożysk mostowych.

Schemat oznaczania twardości

Kruchość - jest to cecha charakterystyczna dla materiałów, które nie wykazują odkształcenia plastycznego pod działaniem sił zewnętrznych.

Współczynnik kruchości - jest to stosunek wytrzymałości na rozciąganie R_r do wytrzymałości na ściskanie R_c.

Jeżeli wartość k jest mniejsza niż 1:8 (0,125) - mamy wówczas do czynienie z materiałem kruchym.

Do materiałów kruchych zaliczamy: żeliwo, szkło, beton zwykły i ceramikę.

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 ze wzoru:

w którym:

σ - naprężenie powstające przy ściskaniu siłą F_n (kN) próbki o przekroju A (cm²)

 - odkształcenie sprężyste wywołane naprężeniem σ, obliczone ze stosunku zmiany długości l do długości pierwotnej l

Ścieralność - jest to podatność materiału na ścieranie. Określa się ją jako zmniejszenie wysokości próbki podczas badania normowego lub utratę masy próbki

Oznaczanie ścieralności

Oznaczanie ścieralności naturalnych i sztucznych materiałów kamiennych przeprowadza się na tarczy Boehmego.

Płytkę kamienną w kształcie sześcianu o boku 7,1 cm umocowuje się w uchwycie maszyny tak, aby przylegała do tarczy, i odpowiednio obciąża siłą 300 N. Tarczę posypuje się proszkiem ściernym i wprawia w ruch . Po 110 obrotach tarczę zatrzymuje się, próbkę umocowuje się ponownie w uchwycie, przekręcając ją wokół osi pionowej o 90° i wprawia ponownie maszynę w ruch. Czynność tę powtarza się czterokrotnie. Następnie określa się stratę masy próbki na skutek tarcia materiału i oblicza ścieralność s według wzoru:

w którym:

M - strata masy próbki po 440 obrotach tarczy, g

A - powierzchnia próbki , cm²

ρ_o - gęstość objętościowa próbki, g/cm³

• Cechy chemiczne materiałów budowlanych

Oznaczanie cech chemicznych

Określenie właściwości chemicznych materiału staje się konieczne wtedy, gdy zachodzące wewnątrz materiału procesy chemiczne grożą zniszczeniem lub obniżeniem jego wartości użytkowych. Właściwości chemiczne materiałów zależą przede wszystkim od ich składu chemicznego.

Skład ten można podawać jako skład:

pierwiastkowy

tlenkowy

mineralny

Oznaczenie właściwości chemicznych przeprowadza się w wyspecjalizowanych laboratoriach.

1

---