2010-12-27

1

Mineralne materiały

Mineralne materiały

budowlane jako kompozyty

budowlane jako kompozyty

i ciała porowate

i ciała porowate

Materiał kompozytowy

Materiał kompozytowy, to niejednorodny materiał wieloskładnikowy,

w którym:

- wyst

ę

puj

ą

dwa lub wi

ę

cej komponentów (składników),

- składniki charakteryzuj

ą

si

ę

ró

ż

nymi i znanymi wła

ś

ciwo

ś

ciami (W

si

),

- znane s

ą

wzgl

ę

dne obj

ę

to

ś

ciowe udziały poszczególnych składników (V

si

)

w całym materiale,

- istnieje widoczna granica mi

ę

dzy poszczególnymi składnikami,

Bardziej szczegółowe informacje w ramach przedmiotu Chemia

2010-12-27

2

Materiał kompozytowy

W przypadku wi

ę

kszo

ś

ci materiałów budowlanych mo

ż

na

je traktowa

ć

jako materiały kompozytowe, w których

jeden ze składników charakteryzuje si

ę

ci

ą

gło

ś

ci

ą

(matryca),

inne stanowi

ą

jej wypełnienie (inkluzja).

W zale

ż

no

ś

ci od kształtu inkluzji mo

ż

na rozró

ż

ni

ć

kompozyty

ziarniste lub włókniste oraz zawieraj

ą

ce obydwa rodzaje

inkluzji.

matryca

(szare tło)

inkluzja ziarnista

(ziarna – kolor)

Bardziej szczegółowe informacje

w ramach przedmiotu Chemia

Materiały kompozytowe - przykłady

beton cementowy

matryca – stwardniały zaczyn cementowy

inkluzja – ziarna kruszywa

2010-12-27

3

Materiały kompozytowe - przykłady

warianty kompozytów włóknistych z matryc

ą

polimerow

ą

(mineraln

ą

)

matryca – polimer (matryca mineralna)

inkluzja – włókna ró

ż

nego rodzaju, uporz

ą

dkowane lub nie

Materiał kompozytowy

Wła

ś

ciwo

ś

ci materiałów kompozytowych mo

ż

na

szacowa

ć

jako

ś

redni

ą

wa

ż

on

ą

wła

ś

ciwo

ś

ci składników W

si

Wagami s

ą

ich wzgl

ę

dne obj

ę

to

ś

ciowe udziały

w materiale V

si

W

k

= W

s1

V

s1

+ … + W

sn

V

sn

=

Σ

W

si

V

si

2010-12-27

4

Rodzaje porów w materiale

szkielet (matryca)

pory (inkluzja)

zamkni

ę

te

otwarte

zło

ż

one

(najcz

ęś

ciej)

ukierunkowane

Zło

ż

ona struktura porów w materiale

Klasyfikacja porów według stopnia ich dro

ż

no

ś

ci:

1- zamkni

ę

te, 2- przelotowe, 3- pseudo

ś

lepe, 4-

ś

lepe, 5 - „korek” cieczy

lub gazu, 6 - materiał szkieletu

6

2

1

4

4

4

1

3

5

4

Ź

ródło: Kledy

ń

ski Z.: Badania wodoszczelno

ś

ci betonu w

ś

wietle teorii nasycania ciał kapilarno-porowatych,

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, z. 12, Warszawa 1992.

2010-12-27

5

Materiał porowaty - przykład

szkło piankowe

matryca – szkło

inkluzja – pory

Ź

ródło: Development of a technique to prepare porous materials from glasses, Journal of the European

Ceramic Society 26 (2006) 761–765

faza stała

(szkielet)

faza gazowa

(powietrze,

para wodna)

faza ciekła

(woda)

Materiał porowaty o dominuj

ą

cej porowato

ś

ci otwartej

2010-12-27

6

Klasyfikacja porów według ich rozmiarów

(wg IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry)

W porowatych materiałach budowlanych wyst

ę

puj

ą

zazwyczaj pory

o wszystkich rozmiarach.

Wilgo

ć

zawarta w materiale porowatym znajduje si

ę

na jego

wewn

ę

trznej powierzchni oraz we wn

ę

trzu zawartych w nim porów.

mezopory

r [nm]

2

50

mikropory

makropory

decyduj

ą

ca rola

w przenoszeniu

wilgoci do

mezoporów

i makroporów.

transport wilgoci

i adsorpcja na ich

powierzchni

podstawowy no

ś

nik

wła

ś

ciwo

ś

ci

sorpcyjnych

materiału

Uproszczony model materiału porowatego

Szkielet (V

s

)

(jednorodny lub niejednorodny)

Pory otwarte (V

po

)

(tworz

ą

ci

ą

gła sie

ć

dost

ę

pn

ą

dla mediów zewn

ę

trznych)

Pory zamkni

ę

te (V

pz

)

(niedost

ę

pne dla mediów

zewn

ę

trznych)

V

s

+ V

p

= 1

V

po

+ V

pz

= V

p

2010-12-27

7

ρ

= m/V

bp

[g/cm

3

]

ρ

o

= m/V

zp

[g/cm

3

]

G

ę

sto

ść

(wła

ś

ciwa) i g

ę

sto

ść

pozorna (obj

ę

to

ś

ciowa)

G

ę

sto

ść

ρ

masa jednostki obj

ę

to

ś

ci substancji szkieletu (bez porów)

G

ę

sto

ść

pozorna

ρ

o

masa jednostki obj

ę

to

ś

ci materiału (z porami)

dla danego materiału

ρ ≥

ρ

o

Szczelno

ść

i porowato

ść

całkowita

Szczelno

ść

V

s

lub S

wzgl

ę

dny obj

ę

to

ś

ciowy udział szkieletu w obj

ę

to

ś

ci materiału

Porowato

ść

całkowita V

p

lub p

c

wzgl

ę

dny obj

ę

to

ś

ciowy udział wszystkich porów w obj

ę

to

ś

ci materiału

S

=

V

s

= V

bp

/V

zp

=

ρ

o

/

ρ

p

c

=

V

p

= 1 - S = 1 -

ρ

o

/

ρ

2010-12-27

8

Porowato

ść

materiału a jego cechy wytrzymało

ś

ciowe

f

c

= f

c0

(1 – p)

6

E

c

= E

c0

(1 – p)

3

f

c

- wytrzymało

ść

na

ś

ciskanie materiału porowatego [MPa],

f

c0

- wytrzymało

ść

hipotetycznego materiału bezporowatego

(dla materiałów mineralnych

≈

850 MPa)

p - porowato

ść

całkowita [-]

Wytrzymało

ść

na

ś

ciskanie

Moduł spr

ęż

ysto

ś

ci

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

porowato

ść

[-]

0

150

300

450

600

750

900

w

y

tr

z

y

m

a

ło

ś

ć

n

a

ś

c

is

k

a

n

ie

[M

P

a

]

Nasi

ą

kliwo

ść

Nasi

ą

kliwo

ść

wod

ą

maksymalna ilo

ść

wody (wyra

ż

ona masowo lub obj

ę

to

ś

ciowo), jak

ą

w normalnych warunkach mo

ż

e wchłon

ąć

materiał porowaty

Nasi

ą

kliwo

ść

masowa

Nasi

ą

kliwo

ść

obj

ę

to

ś

ciowa

Poniewa

ż

woda wypełnia tylko pory otwarte, znaj

ą

c

nasi

ą

kliwo

ść

obj

ę

to

ś

ciow

ą

mo

ż

na oszacowa

ć

zawarto

ść

porów otwartych:

p

o

≈

n

o (w rzeczywisto

ś

ci p

o

> n

o

)