2010-11-27

1

2010-11-27

Materiału budowlane – wykład

1

M

ATERIAŁY BUDOWLANE

Wykład 1

2010-11-27

2

Materiału budowlane – wykład

P

LAN

P

RZEDMIOTU

Semestr 1:

Wykład - 15 h

Ćwiczenia lab. - 15 h

W

ARUNKI ZALICZENIA PRZEDMIOTU

1. uczestnictwo w zajęciach
2. zaliczenie kolokwium pisemnego

2010-11-27

2

2010-11-27

3

Materiału budowlane – wykład

Z

AMIERZONE EFEKTY KSZTAŁCENIA

Znajomość

Znajomość istoty i właściwości podstawowych grup materiałów
służących do produkcji głównych grup wyrobów budowlanych.

Znajomość

Znajomość podstawowych właściwości materiałów i wyrobów oraz
metod ich wyznaczania.

Znajomość

Znajomość podstawowych asortymentów wyrobów budowlanych i
ich charakterystyk oraz kierunków zastosowań.

2010-11-27

Materiału budowlane – ćwiczenia audytoryjne

4

Z

ALECANA LITERATURA

1.

Praca zbiorowa pod redakcją B. Stefańczyka: Budownictwo ogólne. Tom I:
Materiały i wyroby budowlane, Arkady, Warszawa 2005 lub wyd.2 z roku
2007

2.

Praca zbiorowa pod redakcją J. Śliwińskiego: Materiały budowlane.
Ćwiczenia laboratoryjne, wyd. III, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej,
Kraków 2001

3.

Praca zbiorowa pod redakcją J. Małolepszego: Materiały budowlane.
Podstawy technologii i metody badań, wyd. II, Uczelniane Wydawnictwa
Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2008

4.

Furtak K., Śliwiński J.: Materiały budowlane w mostownictwie,
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2004

5.

Artykuły w czasopismach: Materiały budowlane, Przegląd budowlany,
Inżynieria i budownictwo, Cement-Wapno-Beton, Murator itp.

2010-11-27

3

Rozróżnienie pojęć: materiał i wyrób budowlany

W języku potocznym pod pojęciem „materiały budowlane” rozumie się
np. cegły, pustaki, płyty styropianowe, papy itp. W istocie są to wyroby

budowlane.

materiał

to substancja (jedno lub wieloskładnikową), z której wykonuje

się różne wyroby, na przykład:

- cegły, pustaki, dachówki –

czerwona ceramika budowlana,

- wyroby termoizolacyjne –

tworzywa sztuczne, materiały mineralne,

- wyroby izolacji przeciwwodnej –

bitumy, tworzywa sztuczne,

- wyroby z drewna i drewnopochodne -

drewno

2010-11-27

6

Materiału budowlane – wykład

PODZIAŁ MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

ZZ

E

E

W

W

ZGLĘDU

ZGLĘDU NA

NA POCHODZENIE

POCHODZENIE II STOSOWANE

STOSOWANE SUROWCE

SUROWCE

 materiały

naturalne

: kamień, drewno, trzcina, słoma itp.

 materiały

z przeróbki surowców naturalnych

: ceramika, szkło, beton,

spoiwa, lepiszcza bitumiczne, wyroby drewnopochodne itp.

 materiały

syntetyczne

pochodzące

z

syntezy

chemicznej

związków

organicznych, określane jako tworzywa sztuczne,

 materiały

z odpadów przemysłowych

: kruszywa żużlowe, popioły, gips z

odsiarczania spalin, cementy żużlowe i popiołowe.

2010-11-27

4

2010-11-27

7

Materiału budowlane – wykład

PODZIAŁ MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

ZZ

E

E

W

W

ZGLĘDU

ZGLĘDU NA

NA CHARAKTER

CHARAKTER PRACY

PRACY W

W OBIEKCIE

OBIEKCIE BUDOWLANYM

BUDOWLANYM

 materiały

konstrukcyjne

(nośne)

przenoszące

obciążenia

mechaniczne – beton, żelbet, kształtowniki metalowe, stal zbrojeniowa,

ceramiczne elementy murowe, elementy kamienne, drewno, itp.

 materiały

niekonstrukcyjne

(nie nośne), a więc takie które nie

przenoszą obciążeń mechanicznych, za wyjątkiem ciężaru własnego.

2010-11-27

8

Materiału budowlane – wykład

PODZIAŁ MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

ZZ

E

E

W

W

ZGLĘDU

ZGLĘDU NA

NA FUNKCJE

FUNKCJE PEŁNIONE

PEŁNIONE W

W OBIEKCIE

OBIEKCIE BUDOWLANYM

BUDOWLANYM

((

BUDYNKU

BUDYNKU

))

 materiały

ścienne

,

 materiały

stropowe

,

 materiały

do pokryć dachowych

,

 materiały

izolacyjne

– termoizolacyjne, hydroizolacyjne, ognioochronne ,

dźwiękochłonne,

 materiały

wykończeniowe

,

 materiały

instalacyjne

,

 materiały

do ochronny przed korozją

.

2010-11-27

5

2010-11-27

9

Materiału budowlane – wykład

PODZIAŁ MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

ZZ

E

E

W

W

ZGLĘDU

ZGLĘDU NA

NA POSTAĆ

POSTAĆ WYSTĘPOWANIA

WYSTĘPOWANIA

–

–

GOTOWOŚĆ

GOTOWOŚĆ DO

DO ZASTOSOWANIA

ZASTOSOWANIA

materiały

gotowe do zastosowania

(wyroby budowlane),

materiały

wymagające przetworzenia

– beton, zaprawa itp.

2010-11-27

10

Materiału budowlane – wykład

KLASYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI

M

ATERIAŁÓW

B

UDOWLANYCH

Fizyczne

Mechaniczne

Chemiczne

Technologiczne

2010-11-27

6

Porowatość materiału budowlanego

Szkielet

Pory otwarte

Pory zamkin

ę

te

Porowato

ść

efektywna

Typ szkieletu:

- mineralny

- organiczny

2010-11-27

12

Materiału budowlane – wykład

W

pływ porowatości na wytrzymałość na ściskanie, fc(P)

P

f

C

f

C0

zakres badań

≈ 840 MPa

Gdzie:
f

C0

– hipotetyczna wytrzymałość na

ściskanie dla mat. o P = 0%, MPa

f

C

– rzeczywista wytrzymałość na

ściskanie materiału , MPa

P – porowatość materiału

(

)

n

Co

C

P

f

f

−

=

1

Materiały o szkielecie mineralnym

n=6

2010-11-27

7

2010-11-27

13

Materiału budowlane – wykład

drobne pory otwarte

drobne pory otwarte

Przesiąkliwość

Przesiąkliwość

mała lub jej brak,

Podciąganie kapilarne

Podciąganie kapilarne

słabe lub brak,

Przesiąkliwość

Przesiąkliwość

duża,

Podciąganie kapilarne

Podciąganie kapilarne

słabe,

Przesiąkliwość

Przesiąkliwość

mała,

Podciąganie kapilarne

Podciąganie kapilarne

mocne,

Wpływ charakterystyki porów na właściwości fizyczne

du

ż

e pory otwarte

du

ż

e pory otwarte

pory zamkni

ę

te

pory zamkni

ę

te

Porowatość materiałów budowlanych

Ceramika porowata

Drewno

Styropian

2010-11-27

8

2010-11-27

15

Materiału budowlane – wykład

P

orowatość

KK

LASYFIKACJA

LASYFIKACJA PORÓW

PORÓW ZE

ZE WZGLĘDU

WZGLĘDU NA

NA ICH

ICH WIELKOŚĆ

WIELKOŚĆ

((

ŚREDNICĘ

ŚREDNICĘ

))

WG

WG

.. IUPAC

IUPAC

I

NTERNATIONAL

U

NION OF

P

URE AND

A

PPLIED

C

HEMISTRY

- M

IĘDZYNARODOWA

U

NIA

C

HEMII

C

ZYSTEJ I

S

TOSOWANEJ

 mikropory

d < 2 nm (2·10

-9

m),

 mezopory

2 nm < d < 50 nm

 makropory

d > 50 nm

1 m = 10

3

mm = 10

6

μm = 10

9

nm

2010-11-27

16

Materiału budowlane – wykład

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

-

porowatość

M

M

ETODY

ETODY OZNACZANIA

OZNACZANIA POROWATOŚCI

POROWATOŚCI

 znając

gęstość i gęstość objętościową

możemy obliczyć porowatość

całkowitą, brak informacji o charakterystyce porowatości,

+ nasiąkliwość

 mikroskopia optyczna

pozwala na obserwacje rozmiaru porów oraz ich

geometrii,

 mikroskopia elektronowa

,

 porozymetria rtęciowa

, oznaczenie rozkładu porów,

 adsorpcja gazowa

, oznaczenie rozkładu porów.

promień porów [m]

10

-9

10

-8

10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

sorpcja

porozymetr rtęciowy

mikroskopia optyczna

elektr.

2010-11-27

9

Klasyfikacja porów według stopnia ich drożności:

1- zamknięte, 2- przelotowe, 3- pseudoślepe, 4- ślepe, 5 - „korek” cieczy

lub gazu, 6 - materiał szkieletu

6

2

1

4

4

4

1

3

5

4

Źródło: Kledyński Z.: Badania wodoszczelności betonu w świetle teorii nasycania ciał kapilarno-porowatych,
Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, z. 12, Warszawa 1992.

2010-11-27

18

Materiału budowlane – wykład

równanie Washburna

p

7500

r

p

cos

2

r

=

→

θ

γ

−

=

Gdzie:
r – promień porów [nm]
p – ciśnienie bezwzględne [kg/cm

2

]

γ – napięcie powierzchniowe rtęci
θ – kąt zwilżania rtęci

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

–

porowatość, metoda porozymetrii rtęciowej

2010-11-27

10

2010-11-27

19

Materiału budowlane – wykład

[

]

3

kg/m

V

m

ρ

=

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

G

G

ĘSTOŚĆ

ĘSTOŚĆ

– masa jednostki objętości materiału, bez uwzględnienia porów wewnątrz

materiału

gdzie:
m – masa materiału w stanie suchym
V – objętość materiału bez porów (tylko szkielet)

G

G

ĘSTOŚĆ

ĘSTOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA

OBJĘTOŚCIOWA

– masa jednostki objętości materiału wraz z zawartymi w niej

porami

[

]

3

0

0

kg/m

V

m

ρ

=

gdzie:
m – masa materiału w stanie suchym
V

0

– objętość materiału z porami

2010-11-27

20

Materiału budowlane – wykład

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

0

0

1

−

=

−

=

P

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

PP

OROWATOŚĆ

OROWATOŚĆ

– objętościowy udział porów w całej objętości materiału

gdzie:
ρ – gęstość, kg/m

3

ρ

0

– gęstość objętościowa, kg/m

3

P – porowatość, %

ρ

ρ

0

=

S

SS

ZCZELNOŚĆ

ZCZELNOŚĆ

– objętościowy udział szkieletu w całej objętości materiału

gdzie:
ρ – gęstość, kg/m

3

ρ

0

– gęstość objętościowa, kg/m

3

S – szczelność, %

S

P

−

=

1

1

=

+

S

P

2010-11-27

11

2010-11-27

21

Materiału budowlane – wykład

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

Materiał

Gęstość

ρ

[kg/m

3

]

Gęstość objętościowa

ρ

o

[kg/m

3

]

Beton zwykły

2800

2000÷2200

Cement

3050÷3150

1100÷1200

Ceramika czerwona

2700

1800÷1950

Drewno

1550

450÷950

Piasek

2720

1550÷1650

Szkło

2650

2650

Stal budowlana

7850

7850

Styropian

1100

15÷40

2010-11-27

22

Materiału budowlane – wykład

[

]

3

z

,

l
n

s

z

,

l
n

cm

/

g

v

m

=

ρ

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

G

G

ĘSTOŚĆ

ĘSTOŚĆ NASYPOWA

NASYPOWA

– masa jednostki objętości materiału sypkiego

gdzie:
ρ

n

l,z

– gęstość nasypowa w stanie luźnym bądź zagęszczonym

m

s

– masa materiału sypkiego w stanie suchym,

v

n

l

– objętość materiału sypkiego w stanie luźnym,

v

n

z

– objętość materiału sypkiego w stanie zagęszczonym,

JJ

AMISTOŚĆ

AMISTOŚĆ

– objętościowy udział jam (przestrzeni pomiędzy ziarnami) w całej objętości

materiału sypkiego

0

z

,

l
n

0

z

,

l
n

0

z

,

l

1

j

ρ

ρ

−

=

ρ

ρ

−

ρ

=

gdzie:
j

l,z

– jamistość w stanie luźnym bądź zagęszczonym, %

ρ

n

l,z

– gęstość nasypowa w stanie luźnym

bądź zagęszczonym, g/cm

3

ρ

0

– gęstość objętościowa, g/cm

3

z

l

z

n

l
n

j

j

≥

→

ρ

≤

ρ

2010-11-27

12

Porowatość materiału budowlanego

Szkielet

Pory otwarte

Pory zamkin

ę

te

Porowato

ść

efektywna

2010-11-27

24

Materiału budowlane – wykład

s

s

w

m

m

m

W

−

=

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

W

W

ILGOTNOŚĆ

ILGOTNOŚĆ

– zawartość wody (wilgoci) w materiale (w danej chwili)

gdzie:
W – wilgotność, %
m

s

– masa materiału w stanie suchym, kg

m

w

– masa materiału w stanie wilgotnym, kg

s

s

n

w

m

m

m

n

−

=

N

N

ASIĄKLIWOŚĆ

ASIĄKLIWOŚĆ MASOWA

MASOWA

– iloraz masy wchłoniętej wody do masy materiału suchego

gdzie:
n

w

– nasiąkliwość, %

m

s

– masa materiału w stanie suchym, kg

m

n

– masa materiału w stanie nasyconym, kg

2010-11-27

13

2010-11-27

25

Materiału budowlane – wykład

0

0

0

ρ

⋅

=

⇓

−

=

w

o

s

n

n

n

V

m

m

n

N

N

ASIĄKLIWOŚĆ

ASIĄKLIWOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA

OBJĘTOŚCIOWA

– iloraz masy wchłoniętej wody do objętości materiału

suchego

gdzie:
n

0

– nasiąkliwość objętościowa, %

m

s

– masa materiału w stanie suchym, kg

m

n

– masa materiału w stanie nasyconym, kg

ρ

0

– gęstość objętościowa, kg/m

3

V

o

- objętość materiału suchego, m

3

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

N

N

ASIĄKLIWOŚĆ

ASIĄKLIWOŚĆ POWIERZCHNIOWA

POWIERZCHNIOWA

– ilość wody wchłanianej przez jednostkę powierzchni

materiału

t

F

v

n

w

p

⋅

=

gdzie:
n

0

– nasiąkliwość powierzchniowa, m

3

/m

2

s

v

w

– objętość wchłoniętej wody, m

3

t – czas wchłaniania wody, s

2010-11-27

26

Materiału budowlane – wykład

T

m

Q

C

∆

⋅

=

CC

IEPŁO

IEPŁO WŁAŚCIWE

WŁAŚCIWE

– ilość ciepła jak jest potrzebna do ogrzania materiału o masie 1 kg o 1 K

gdzie:
C – ciepło właściwe, J/kgK
Q – ilość ciepła potrzebna do ogrzania materiału o ΔT, J
m – masa materiału, kg
ΔT – różnica temperatur, K

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

T

C

m

Q

∆

⋅

⋅

=

PP

OJEMNOŚĆ

OJEMNOŚĆ CIEPLNA

CIEPLNA

– ilość ciepła jak jest potrzebna do ogrzania 1 m

3

materiału o 1 K

gdzie:
Vc – pojemność cieplna, J/m

3

K

C – ciepło właściwe, J/kgK
ρ

0

– gęstość objętościowa, kg/m

3

0

c

C

V

ρ

⋅

=

Ilość ciepła jest wprost proporcjonalna do jego
masy, ciepła właściwego i różnicy temperatur

2010-11-27

14

2010-11-27

27

Materiału budowlane – wykład

t

T

F

d

Q

⋅

∆

⋅

⋅

=

λ

PP

RZEWODNOŚĆ

RZEWODNOŚĆ CIEPLNA

CIEPLNA

– ilość ciepła jaka przepływa przez warstwę materiału o

powierzchni 1 m

2

i grubości 1 m, w jednostce czasu, przy różnicy temperatur po obydwu

stronach warstwy równej 1 K

gdzie:
λ – współczynnik przewodności cieplnej, W/mK
Q – ilość ciepła przechodzące przez materiał, kcal
F – powierzchnia na które ma miejsce przepływ, m

2

ΔT – różnica temperatur, K
t – czas trwania przepływu ciepła, h

Inne ciepło właściwe, pojemność cieplna,
przewodność cieplna, rozszerzalność cieplna,
odporność ogniowa, itp

P

ODSTAWOWE CECHY FIZYCZNE

2010-11-27

28

Materiału budowlane – wykład

W

YTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE

W

YTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE

W

YTRZYMAŁOŚĆ NA ZGINANIE

,

ŚCINANIE

,

SKRĘCANIE

….

M

M

ODUŁ

ODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI

SPRĘŻYSTOŚCI

ŚŚ

CIERALNOŚĆ

CIERALNOŚĆ

O

O

DPORNOŚĆ

DPORNOŚĆ NA

NA UDERZENIA

UDERZENIA

((

UDARNOŚĆ

UDARNOŚĆ

))

K

K

RUCHOŚĆ

RUCHOŚĆ

ITP

ITP

..

..

P

ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

2010-11-27

15

2010-11-27

29

Materiału budowlane – wykład

S

F

f

c

c

c

max

max

=

=

σ

W

W

YTRZYMAŁOŚĆ

YTRZYMAŁOŚĆ NA

NA ŚCISKANIE

ŚCISKANIE

– maksymalne naprężenie ściskające (

σ

c) jakie zdolna jest

przenieść próbka badanego materiału podczas próby ściskania

gdzie:
f

c

– wytrzymałość na ściskanie, MPa

F

c max

– maksymalna siła niszcząca, N

S– powierzchnia przekroju próbki, mm

2

P

ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

2

2

cm

kN

10

mm

N

MPa

⋅

=

=

Fc

Fc

S = a · b
[m

2

, mm

2

]

2010-11-27

30

Materiału budowlane – wykład

S

F

f

t

t

t

max

max

=

=

σ

W

W

YTRZYMAŁOŚĆ

YTRZYMAŁOŚĆ NA

NA ROZCIĄGANIE

ROZCIĄGANIE

– maksymalne naprężenie (

σ

t) rozciągające jakie

wytrzymuje próbka badanego materiału podczas próby rozciągania

gdzie:
f

t

– wytrzymałość na rozciąganie, MPa

F

t max

– maksymalna siła niszcząca, N

S – powierzchnia przekroju próbki, mm

2

P

ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

Ft

Ft

S = a · b
[m

2

, mm

2

]

2010-11-27

16

2010-11-27

31

Materiału budowlane – wykład

Materiał

Wytrzymałość na

ściskanie

f

c

[MPa]

Wytrzymałość na

rozciąganie

f

t

[MPa]

Beton zwykły

8÷60

0,8÷5

Granit

118÷236

4,4÷7,8

Ceramika czerwona

5÷25

0,2÷2

Drewno (wzdłuż włókien)

40÷60

78÷150

Szkło

340÷980

9,8÷77,5

Stal budowlana

294÷440

294÷490

P

ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

2010-11-27

32

Materiału budowlane – wykład

ε

σ

=

E

M

M

ODUŁ

ODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI

SPRĘŻYSTOŚCI

– zależność pomiędzy naprężeniem i odkształceniem

gdzie:
E – moduł sprężystości, MPa
σ – naprężenie, MPa
ε – odkształcenie

∆

l – skrócenie lub wydłużenie, m

l

0

– długość początkowa, m

P

ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

0

l

l

∆

=

ε

ε

[%,‰]

σ

[M

P

a

]

ε

[%,‰]

σ

[M

P

a

]

α

Odkształcenia sprężyste

Odkształcenia sprężyste

po usunięciu siły zewnętrznej
materiał wraca do postaci
początkowej

Odkształcenia plastyczne

Odkształcenia plastyczne

po usunięciu siły zewnętrznej
materiał nie wraca do postaci
początkowej, odkształcenia
trwałe

2010-11-27

17

2010-11-27

33

Materiału budowlane – wykład

W

M

f

max

f

max

f

=

=

σ

W

W

YTRZYMAŁOŚĆ

YTRZYMAŁOŚĆ NA

NA ZGINANIE

ZGINANIE

– maksymalne naprężenie jakie wytrzymuje próbka

badanego materiału podczas zginania

gdzie:
f

f

– wytrzymałość na zginanie, MPa

M

max

– maksymalna moment zginający, Nm

W – wskaźnik wytrzymałości przekroju, m

3

P

ODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

6

h

b

W

2

⋅

=

Dla przekrojów prostokątnych

2010-11-27

34

Materiału budowlane – wykład

4

L

P

M

max

⋅

=

W

W

YTRZYMAŁOŚĆ

YTRZYMAŁOŚĆ NA

NA ZGINANIE

ZGINANIE

możliwe schematy badania

P

ODSTAWOWE CECHY MECHANICZNE

P

P/2

P/2

L/2

L/2

L

P/2

P/2

P/2

L/3

L

P/2

L/3

L/3

6

L

P

M

max

⋅

=