Własności fizyczne materiałów budowlanych

1.Gęstość

Iloraz masy próbki jednorodnego materiału budowlanego do jego objętości w stanie
absolutnej szczelności (bez porów i pustek) .

Gdzie:
m = masa próbki [ g ; kg ]
v = objętość materiału bez porów [ cm3 ; m3 ]


PRZYGOTOWANIE PRÓBEK DO BADANIA OBJĘTOŚCI:

1. likwidacja porowatości próbki (rozdrobnienie w moździerzu na drobne kawałki)
2. zmielenie w młynku kulkowym (mielenie do czasu, aż powstanie proszek, który przeleci

przez sito o boku oczka #0,08 mm)

3. wsypanie do parowniczki (porcelanowa miseczka)
4. suszenie w suszarce do stałej masy w temp. 105°C (czyli aż 2 kolejne ważenia w

założonych przez normę odstępach czasowych potwierdzą tą samą masę - masa
przestała się zmniejszać)

5. studzenie w eksylatorze (w nim substancja higroskopijna - chlorek wapnia/żel

silikonowy) - tak przechowujemy próbkę

Metody wyznaczania gęstości:
1.1. Metoda Piknometru (metoda dokładna)

1. Każdorazowo przed badaniem należy piknometr umyć, wysuszyć i zważyć. (Działamy

w rękawiczkach!)

2. Do piknometru wrzucamy taką ilość próbki by wypełniała 1/3 objetości piknometru

(próbka zważona!)

3.

= masa próbki →

= masa piknometru z próbką - masa piknometru

4. Należy wlać wodę destylowaną do piknometru by przykryć naszą próbkę
5. Zostawiamy próbke na 30 minut by się odpowietrzyła
6. Dolewamy wodę destylowaną do pełna, zamykamy piknometr korkiem
7. Piknometr na ok. 1h do TERMOSTATU o temp. 20°C
8. Osuszamy powierzchnię korka bubułką
9. Ważymy piknometr w warunkach temperatury pokojowej =

10. Wypełniamy piknometr wodą destylowaną, zatykamy korkek, umieszczamy w

termostacie temp. 20°C ok. 1h

11. Osuszamy powierzchnię korka bibułką
12.

=masa moknometru z wodą w temperaturze pokojowej

- gęstość badanego materiału próbki [ g/cm3 ]

- masa rozdrobnionej próbki [ g ]

- masa piknometru z wodą [ g ]

- masa piknometru z wodą i próbką [ g ]

- gęstość wody = 0.998 [ g/cm3 ] ( w temp. pokojowej )

W wyniku odejmowania zbiorów pozostaje objętość wody, która odpowiada objętości próbki
w stanie absolutnej szczelności, czyli bez porów.


1.2. Metoda Kolby Le Chatelier (metoda przybliżona)

1. Dopełniamy kolbę denaturatem do poziomu 0 (najlepiej o temperaturze pokojowej)

[denaturat - alkohol = ciecz zwilżająca, menisk wklęsły, poziom 0 - dno menisku
wklęsłego)

2. Wsypywanie sproszkowanej próbki do kolby drobnymi porcjami, wsypując czekamy aż

próbka opadnie na dno, a denaturat podniesie poziom. Sypiemy do "20".

- masa próbki przed badaniem [ g ]

- masa próbki po badaniu [ g ]

- objętość cieczy w kolbie = 20 cm

3

2. Gęstość pozorna

Iloraz masy próbki materiału budowlanego do jego całkowitej objętości (wraz z porami
i pustkami)

- masa próbki [ kg ; g ]

- całkowita objętość próbki [ m3 ; cm3 ]

Metody wyznaczania gęstości pozornej:
2.1. Dla próbek kształtu regularnego ( sześcian, prostopadłościan, walec…)
- METODA BEZPOŚREDNIA

2.2. Dla próbek kształtu nieregularnego:
- WAŻENIE HYDROSTATYCZNE
- METODA PARAFINOWA

próbkę ważymy z parowniczką!

METODA BEZPOŚREDNIA
(Jeżeli istnieje możliwość wycięcia próbki o regularnym kształcie)

1. Próbka musi być wysuszona do stałej masy w temp.105°C
2. Wszystkie boki próbki zmierzone z dokładnością do 1 mm.

Prawo Archimedesa

Siła wyporu F

w

działająca na ciało zanurzone w cieczy

równa jest ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało.

Pomiar siły wyporu:

WAŻENIE HYDROSTATYCZNE

1. Próbkę kształtu nieregularnego należy wysuszyć do stałej masy i zważyć -

2. Próbkę umieszczamy w wodzie i moczymy tak długo aż uzyskamy nasiąkliwość tej

próbki (maksymalną zawartość wody w próbce) → ważenie jak przy suszeniu co jakiś
czas!

3. Ważymy nasyconą próbkę w powietrzu =

(w powietrzu = normalna waga!)

4. Tą samą próbkę ważymy w wodzie (tj. na wadze hydrostatycznej) =

P - ciężar ciała w powietrzu
Q - ciężar ciała w wodzie
F

w

- siła wyporu wody

Z równowagi sił wynika zależność:

(1)

Siły z równania (1) można wyrazić następująco:

METODA PARAFINOWA (metoda pozanormowa)

1. Próbkę kształtu nieregularnego należy wysuszyć do stałej masy i ją zważyć =

2. Próbkę zawieszoną na nitce zanurzamy w roztopionej parafinie w celu uzyskania

powłoki dla zamknięcia porów

3. Po stężeniu parafiny ważymy próbkę z parafiną =

4. Dla próbki z parafiny wyznaczamy jej wypór w cylindrze miarowym, korzystamy

z prawa Archimedesa

- masa suchej próbki

- masa próbki otoczonej parafiną

- gęstość parafiny

3. Szczelność

Określa jaką część całkowitej objętości materiału zajmuje objętość bez porów.



informuje nas o zwięzłości danego materiału



dla większości materiałów s<1 ( lub s< 100% ), ponieważ nie ma idealnie szczelnej
materii na świecie.

4. Porowatość

Jest to stopień, do jakiego materiał jest wypełniony przez pory.



porowatość jest wskaźnikiem dla innych własności , takich jak gęstość pozorna ,
przewodnictwo cieplne czy wytrzymałość.



materiały zwięzłe, które mają małą porowatość znajdują zastosowanie w
konstrukcjach wymagających wysokich cech wytrzymałościowych.

Rodzaje porowatości:



Porowatość zamknięta



Porowatość otwarta (efektywna)



Porowatość mieszana

Rodzaje porowatości (materiał sypki):

Oznaczanie porowatości efektywnej:

1. Obliczamy masę wody, która nasyci badaną próbkę:

2.

Obliczamy objętość, zajmowaną przez tą wodę:

A. Dla próbek kształtu regularnego:

B. Dla próbek kształtu nieregularnego: Krople wody

,

(objętość próbki z ważenia hydrostatycznego)

Wskaźnik porowatości (e)
Stosunek objętości pustek do objętości stałej.

Cechy fizyczne związane z obecnością wody w mat. bud.

5. Nasiąkliwość



Określa potencjalne możliwości materiału do pochłaniania i gromadzenia wilgoci.



Oblicza się ją (podobnie jak wilgotność) jako stosunek masy (lub objętości) wody
zawartej w materiale do masy (lub objętości) materiału w stanie suchym.



Wyraża maksymalną zawartość wody, jaką może wchłonąć materiał w danych
warunkach. (Jest to równocześnie jego maksymalna wilgotność).



Im większa jest porowatość (mniejsza szczelność), oraz im więcej porów otwartych
zawiera materiał, tym większa będzie jego nasiąkliwość.

Objętość porów otwartych

Całkowita objętość ciała

- wilgotność masowa [%]

- masa wilgotnej próbki [g]

- masa suchej próbki [g]

-

nasiąkliwość masowa [%]

- masa nasyconej próbki [g]

- masa suchej próbki [g]

Wilgotności dany materiał może mieć wiele w zależności od różnej wilgotności względnej
powietrza i różnej temperatury.
Nasiąkliwość ma materiał tylko 1 i jest to maksymalna zawartość wody w tym materiale.


Badanie nasiąkliwości:
Poszczególne etapy moczenia (wysuszonych uprzednio do stałej masy) próbek w wodzie
przy różnych poziomach napełnienia.

Podział wilgotności:



SORBCYJNA - ilość pary wodnej pochłoniętej przez materiał z powietrza w określonej
temperaturze i przy określonej wilgotności (?)



HOGROSKOPIJNA - ilość pary wodnej pochłoniętej z powietrza w określonej
temperaturze i przy wilgotności względnej powietrza = 100%

6. Wilgotność

Wilgotność materiału w stanie powietrzno-suchym to stan równowagi jaki ustala się po
dłuższym okresie czasu w warunkach normalnej eksploatacji :



beton komórkowy 4 – 8%



keramzytobeton 6%



silikat 3 %



beton 2%



ceramika 1%

7. Przesiąkliwość



Zdolność materiału do przepuszczania danego medium (najczęściej wody) pod
ciśnieniem.



Miarą tej cechy jest objętość medium przenikająca pod określonym ciśnieniem przez
jednostkę powierzchni materiału w jednostce czasu

- przesiąkliwość badana przy ciśnieniu p [cm/s]

- objętość medium przechodząca przez próbkę materiału w czasie t

- powierzchnia przekroju próbki materiału [cm2]

- czas pomiaru objętości przenikającego medium [s]

Badanie przesiąkliwości dla dachówki ceramicznej „Karpiówki”:

W trakcie 3 godzin działania ciśnienia wody ( 5-cm wys.) dachówka nie powinna przepuścić
nawet 1 kropli wody !


Stopień przesiąkliwości zależy od szczelności i porowatości
- materiał PRZESIĄKLIWY np. beton porowaty
- materiał SZCZELNY/nieprzesiąkliwy np. bitumy, szkło, stal, PVC, styropian

8. Podciąganie kapilarne



Jest to zdolność materiału do podciągania wody siłami kapilarnymi



Siły te zależą od średnicy i ilości porów występujących w materiale



Miarą tej cechy jest wysokość wody podciąganej przez materiał w ciągu jednostki
czasu (szybkość podciągania wody siłami kapilarnymi)

h - wysokość podciągania wody [cm]
t - czas podciągania [s]


Ciecze zwilżające i niezwilżające

Podciąganie kapilarne

Depresja kapilarna

PRZESIĄKLIWOŚĆ

PODCIĄGANIE KAPILARNE

brak

Pory zamknięte

brak

duża

Duże pory otwarte

słabe

mała

Drobne pory otwarte

mocne

Własności mechaniczne materiałów budowlanych:

Różny układ sił zewnętrznych różne rodzaje naprężeń

Naprężenie osiowe/podłużne

Własności mechaniczne:

Naprężenie poprzeczne

1. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCISKANIE

Badanie wytrzymałości na ściskanie

Obciążenie osiowe

Naprężenie Odkształcenie

Zniszczenie

Próbki do ściskania:

Różny przebieg zniszczenia próbek z różnych materiałów:



Zniszczenie przez odłupywanie



Zniszczenie eksplozyjne

Wykres naprężenie - odkształcenie:

Materiał kruchy a plastyczny:
Zniszczenie materiału kruchego (próbka cylindryczna z betonu zwykłego)

Zniszczenie materiału plastycznego

Typowe zniszczenie próbki: Próbka sześcienna z zaprawy cementowej (materiał kruchy)

Jednoosiowe ściskanie

Środkowe boczne części próbki podlegają przemieszczeniom poprzecznym



Wytrzymałość na ściskanie:


Wytrzymałość na ściskanie jest to iloraz maksymalnej siły, jaką element przeniósł, do
powierzchni przekroju poprzecznego tego elementu:

F

max

- maksymalne obciążenie próbki [KN = 1000N]

S - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki [mm

2

]

2. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE

Badanie wytrzymałości na rozciąganie

Zerwanie próbki z przewężeniem:
- tworzywo sztuczne
- stal

Naprężenie normalne w pręcie rozciąganym osiowo

- naprężenie normalne od rozciągania [MPa]

- wartość zewnętrznej siły rozciągającej [N]

- powierzchnia przekroju poprzecznego [mm

2

]

[Elementy pracują CAŁĄ powierzchnią PRZEKROJU POPRZECZNEGO.] Naprężenie w całym
przekroju próbki jest równomiernie rozłożone.

Wytrzymałość na rozciąganie:

Iloraz maksymalnej wartości siły jaką element przeniósł tuż przed zerwaniem, do pierwotnej
powierzchni przekroju poprzecznego tego elementu.

F

max

- maksymalna wartość siły przed zerwaniem [KN=1000N]

S - pierwotna powierzchnia przekroju poprzecznego rozciąganego elementu [mm

2

]

Wykres Naprężenie-Odkształcenie w rozciąganym elemencie:

Rodzaje odkształceń:



Odkształcenie sprężyste - Rodzaj odkształcenia, w którym zdeformowane ciało wraca
do pierwotnego kształtu po usunięciu siły zewnętrznej.



Odkształcenie plastyczne - Odkształcenie, w którym zdeformowane ciało nie wraca
do pierwotnego rozmiaru i kształtu po usunięciu siły zewnętrznej.

Różne materiały - różna deformacja:



Materiał kruchy (łamliwy):

o

mocny materiał, którego zniszczenie następuje nagle bez udziału
odkształcenia plastycznego

o

np. szkło, beton, żeliwo, skały



Materiał plastyczny (ciągliwy):

o

deformujący się plastycznie materiał, którego wydłużenie przed zniszczeniem
jest > 5%

o

np. złoto, srebro, miedź, stal, PP, PE

Różne materiały - różne wykresy:

"Szyjkowanie" próbek:

3. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ZGINANIE

Trzypunktowe zginanie:

Zginanie poprzeczne trzypunktowe:

Wskaźnik wytrzymałości przekroju poprzecznego:

Maksymalny moment zginający

Wytrzymałość na zginanie:

Wytrzymałość na zginanie:
Dla przekroju belki przy trzypunktowym zginaniu:

F

max

- maksymalna siła w chwili zniszczenia [kN= 1000N]

l - odległość p-któw podparcia [mm]
b - szerokość belki [mm]
h - wysokość belki [mm]
L - całkowita długość belki

4. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCINANIE

Naprężenia ścinające w pręcie obciążonym siłami prostopadłymi przeciwnego zwrotu:

- naprężenie ścinające[MPa]
F - siła obciążająca [N]
S - powierzchnia przekroju
równoległego do siły [mm2]



Różne rodzaje naprężeń:

Różne rodzaje naprężeń podczas zginania belki:

Wykresy trzypunktowego zginania: