FIZYKA BUDOWLI
WYKA
ADY 2
dr inż. Aneta Krzyżak
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.1. Struktura wewnętrzna
2 z 34
Charakter struktury
Struktura materiałów budowlanych może byd
" Kaplilarno-porowata (np. cegła, beton)
" Włóknista (np. drewno, wełna mineralna)
" Ziarnista (np. żwir, kruszywa)
" Zbita (np. szkło, metal)
Materiały porowate  ciała stałe, które zawierają dużą ilośd pustych
przestrzeni o względnie małych wielkościach, charakteryzującymi się
dobrze rozwiniętą powierzchnią wewnętrzną. Przestrzenie takie nazywa
się porami, a przestrzeo zajętą przez ciało stałe  szkieletem.
3
Rodzaje porów
Ze względu na rozmiar:
ż� Mikropory  efektywny promieo porów mniejszy niż 2nm
ż� Mezopory  promieo większy niż 2nm a mniejszy niż 50nm
ż� Makropory  promieo większy niż 50nm
Ze względu na charakter:
otwarte zamknięte złożone ukierunkowane
4
Parametry charakteryzujące strukturę
Porowatośd efektywna � [m3/m3] charakteryzuje materiały porowate i jest
miarą zdolności tych materiałów do wchłaniania wilgoci.
Porowatośd efektywna jest ilorazem objętości porów otwartych Vp zawartych
w elementarnym obszarze wypełnionym materiałem porowatym do
objętości tego obszaru V.
Gazobeton przy powiększeniu:
22 razy 1000 razy
5
Krętośd kapilar � [-]  iloraz długości drogi ld, jaką przebyłaby w danym
kierunku dyfundująca cząstka pary wodnej do wymiaru materiału
porowatego w danym kierunku L.
W przypadku większości materiałów budowlanych: 0,5<�<2,5.
Powierzchnia właściwa s [cm2/g]  miara rozdrobnienia danego materiału.
s = 38,4"102 mn
mn [g/g]  ilośd (masa) zaadsorbowanych cząstek pary wodnej w warstwie
jednocząsteczkowej (monowarstwie)
6
Parametry wybranych materiałów budowlanych
Gęstośd Gęstośd Objętośd Powierzchnia
Porowatośd
Materiał pozorna szkieletu porów porów
%
kg/m3 kg/m3 dm3/kg m2/g
Zaprawa cementowa 2019 2535 20,4 0,1008 1,317
Cegła 1780 2668 33,3 0,1870 7,867
Gips budowlany 935 2334 60,5 0,6407 3,041
Gazobeton 1002 2334 57,1 0,5694 26,743
7
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.2. Wilgotnośd materiałów
8
Wilgotność materiału
Wilgotnośd materiału w [%]  ilośd swobodnej wody (niezwiązanej
chemicznie) w odniesieniu do masy wm (lub objętości wV) suchego
materiału.
m1  masa materiału wilgotnego
m2  masa materiału po wysuszeniu
V1  objętośd wody w próbce materiału
V2  objętośd próbki
� [kg/m3] masa objętościowa (gęstośd pozorna) wysuszonego materiału
9
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.3. Sorpcja
10
Sorpcja jest to zdolnośd materiału do pochłaniania wilgoci (pary wodnej) z
powietrza i określana jest w procentach.
Warstwa sorbowanej pary wodnej jest większa jeśli większe jest ciśnienie pary
wodnej zawartej w powietrzu.
Sorpcja pary wodnej jest tym większa im większa jest energia powierzchniowa
materiału.
Wilgotnośd sorpcyjna zależy od wilgotności względnej powietrza (takie
wykresy to izotermy sorpcji).
11
Izotermy sorpcji
Promień porów, m
-9 -8 -7
5 10 2 510 10
Warstwa jednocząsteczkowa
Warstwa wielocząsteczkowa
Kondensacja
kapilarna
T=const
0% Wilgotnośd względna powietrza 100%
12
Woda
swobodna
Wilgotno
ść
materia
ł
u
si
ł
ami adsorpcji
Woda zwi
ą
zana
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.4. Kapilarnośd
13
Kapilarnośd jest to podciąganie wilgoci znajdującej się w porach materiałów
budowlanych. Miarą kapilarności jest wysokośd podnoszenia się wody w
kapilarach w czasie.
Zawilgocenie kapilarne maleje wraz ze wzrostem odległości od poziomu wody.
Wysokośd podciągania
Materiał
cm/dobę
Cegła ceramiczna pełna 22
Beton komórkowy 7,5
Beton kwarcowy 5
Drewno sosnowe 0,5  2,5
Wełna mineralna 3  7
Styropian 0
14
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.5. Zamarzanie wody
15
Temperatura zamarzania wody w porach jest
0
niższa niż wody swobodnej. Temperatura
zamarzania wody w mikroporach na
powierzchni materiałów może wynosid
-5
nawet -80�C. Pomiędzy zewnętrzną
warstwą lodu a ciałem stałym utrzymuje
-10
się cienka warstwa wody. W mezoporoach
-25�C, w makroporach -10�C.
-15
Zamarzanie wody w porach zależy od
powierzchni właściwej i sił
powierzchniowych.
-20
-9 -7 -5
10 10 10
Im mniej wody w porach, mniejsza warstewka
Promień porów, m
wody, większe siły powierzchniowe, tym
niższa temperatura zamarzania  woda nie
zamarznie nawet podczas srogich zim.
16
o
Temperatura zamarzania, C
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.6. Paroprzepuszczalnośd
17
Współczynnik paroprzepuszczalności � [g/m"h"Pa]  ilośd pary
wodnej przenikającej przez materiał w określonym czasie z powodu różnicy
ciśnieo po obu stronach materiału.
W przegrodach warstwowych na warstwę wewnętrzną należy stosowad
materiały o małej paroprzepuszczalności, żeby nie dopuścid do
zawilgocenia warstw zewnętrznych.
18
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.7. Przewodnośd cieplna
19
Definicja przewodności cieplnej
Zdolnośd przewodzenia ciepła przez materiały określa się współczynnikiem
przewodzenia ciepła.
Współczynnik przewodzenia ciepła  [W/m"K] wyraża ilośd ciepła
przenikającą w warunkach ustalonego przepływu w ciągu 1 godziny przez
1m2 ścianki o grubości 1m wykonanej z tego materiału i przy różnicy
temperatury na powierzchniach 1�C.
T1, T2  temperatura na powierzchniach materiału
t  czas przepływu ciepła Q
d  grubośd ścianki
20
Wpływ gęstości
Im większa gęstośd, tym większy współczynnik przewodności cieplnej. Jednak
zależnośd nie jest wprost proporcjonalna, ze względu na różny skład
chemiczny i występowanie porów.
Poniżej pewnych wartości gęstości zależnośd jest odwrotna *1+.
1,5 0,20 0,048
0,18 0,045
1,2
0,16 0,042
0,9
0,14 0,039
0,6
0,12 0,036
0,3
0,10 0,033
0 0,08 0,030
600 800 1000 1200 1400 1600 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50
3 3 3
Gęstość, kg/m Gęstość, kg/m Gęstość, kg/m
Keramzytobeton Beton komórkowy Styropian
21
Przewodno
ść
cieplna, W/(mK)
Przewodno
ść
cieplna, W/(mK)
Przewodno
ść
cieplna, W/(mK)
Wpływ struktury, temperatury, wilgoci
Lepiej przewodzą ciepło materiały nieorganiczne i krystaliczne.
Jeżeli pory są otwarte lub bardzo duże, w materiale występuje ruch powietrza
zwiększający .
 jest większa jeśli temperatura materiałów jest większa.
Woda ma 20 razy większą przewodnośd cieplną niż powietrze. Materiały
zawilgocone mają wyższy .
W materiałach włóknistych istotne znaczenie ma kierunek przepływu ciepła.
Wzdłuż włókien  może byd nawet dwa razy większa niż w poprzek
włókien.
22
Materiał  [W/m"K]
Beton komórkowy ok. 0,09  0,18
Drążona ceramika poryzowana ok. 0,2
Cegła wapienno-piaskowa pełna ok. 0,9
Cegła wapienno-piaskowa drążona ok. 0,7
Cegła ceramiczna pełna ok. 0,8
Cegła ceramiczna  dziurawka ok. 0,45
Beton na kruszywie krystalicznym (granit, kwarcyt) ok. 2,0
Beton na kruszywie amorficznym (bazalt, krzemian) ok. 1,5
Beton na kruszywie z tworzyw polimerowych 0,25  0,7
Beton lekki z odpadów drzewnych 0,15  0,2
Stal nierdzewna ok. 50
Stal niskowęglowa i żeliwa ok. 200
Aluminium ok. 370
Zaprawa cementowo-wapienna ok. 1,0
Zaprawa ciepłochronna ok. 0,2
Materiały izolacyjne poniżej 0,065
Powietrze ok. 0,025
Woda ok. 0,58
Drewno sosnowe w poprzek (wzdłuż) włókien ok. 0,16 (0,35)
23
PN-EN ISO 6946
PN-EN 12524
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.8. Przenikanie ciepła
24
Przenikanie ciepła jest to przejmowanie ciepła Q na powierzchniach przegrody
oraz przewodzenie przez materiał przegrody.
Strumieo ciepła � [W]  ilośd przepływającego ciepła w czasie.
Gęstośd strumienia ciepła q [W/m2]  ilośd przepływającego ciepła w czasie
przez pewną powierzchnię.
25
Współczynnik przenikania ciepła U [W/m2"K] oznacza ilośd ciepła
przenikającego przez przegrodę w odniesieniu do jednostki powierzchni
przegrody, czasu i różnicy temperatury po obu stronach przegrody. Inaczej:
jest to gęstośd strumienia ciepła przepływającego przez przegrodę o różnej
temperaturze obu powierzchni.
Opór cieplny R [m2"K/W] jest to odwrotnośd współczynnika przenikania
ciepła.
Definicje wg PN-EN ISO 7345
26
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.9. Ciepło właściwe
27
Ciepło właściwe c [J/kg"K]  ilośd ciepła potrzeba do ogrzania materiału.
Ciepło właściwe rośnie wraz ze wzrostem wilgotności materiału (c0  ciepło
właściwe materiału suchego):
Ciepło właściwe materiału składającego się z wielu innych:
28
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.10. Promieniowanie cieplne
29
Wszystkie materiały, których temperatura powierzchni jest wyższa od zera
bezwzględnego są z
ródłem promieniowania ciepła.
Zdolnośd materiału do wypromieniowania ciepła charakteryzuje współczynnik
promieniowania cieplnego C [W/m2"K4], który określa ilośd ciepła
wypromieniowanego z danej powierzchni przy danej temperaturze w ciągu
danego czasu.
Kolor powierzchni na C ma znaczenie w temperaturze powyżej 500�C (zatem kolor
grzejnika nie ma znaczenia).
Kolor powierzchni ma znaczenie przy pochłanianiu energii słonecznej. Zdolnośd
pochłaniania jest to udział pochłoniętej energii przez ciało do całej ilości
energii padającej na powierzchnię tego ciała.
Ze wzrostem zdolności pochłaniania przez dane ciało rośnie natężenie jego
promieniowania.
Ciało doskonale czarne: C = 5,77 W/m2"K4 , Zdolnośd pochłaniania = 1 (czyli 100%).
Ciała szare: np. blacha stalowa: C = 3,95 W/m2"K4, polerowana: C = 1,4 W/m2"K4.
30
2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych
2.11. Rozszerzalnośd cieplna
31
Większośd materiałów pod wpływem ogrzewania zwiększa swoją objętośd, a
co za tym idzie wymiary liniowe. Taką zdolnośd materiałów charakteryzują:
objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej ą [1/�C] lub liniowy
współczynnik rozszerzalności cieplnej � [1/�C].
Zmiana długości (długośd początkowa l0):
Zmiana objętości (objętośd początkowa V0):
Podczas eksploatacji materiały budowlane rozszerzają się i kurczą.
W przypadku braku możliwości przesuwu materiały odkształcają się, powstają
pęknięcia lub wybrzuszenia.
32 z 34