8. Klasyfikacja, podstawowe właściwości i metody badań materiałów i wyrobów budowlanych.

Klasyfikacja materiałów budowlanych

• Klasyfikacja ze względu na rodzaj:

• ceramika

• spoiwa

• betony

• drewno

• metale

• szkło

• tworzywa sztuczne i inne

● Klasyfikacja ze względu na podstawowe właściwości techniczne materiałów:

• materiały konstrukcyjne

• materiały niekonstrukcyjne

• materiały izolacyjne (cieplne, przeciwwilgociowe itp.)

● Klasyfikacja ze względu na pochodzenie:

• naturalne (rodzime) np. drewno, kamień, żwir

• sztuczne:

-produkowane w fabrykach np. ceramika, spoiwa

-wykonywane na placu budowy np. betony, wyroby z betonu

● Klasyfikacja ze względu na charakter chemiczny:

• organiczne- np. drewno, trzcina, substancje bitumiczne, sklejka

• nieorganiczne (albo mineralne)- np. kamień, metale, szkło

• mieszane- w skład wchodzą materiały poprzednich dwóch grup.

Własności materiałów budowlanych.

Właściwości: fizyczne, mechaniczne, chemiczne

Cechy fizyczne

• Gęstość - stosunek masy próbki do jej objętości absolutnej (bez porów).

• Gęstość pozorna - stosunek masy próbki do jej objętości łącznie z porami.

• Gęstość nasypowa - dotyczy materiałów ziarnistych(kruszyw)- jest to stosunek masy próbki do jej objętości wraz z porami oraz z przestrzeniami międzyziarnowymi.

• Szczelność - określa jaka część całej objętości materiału przypada w procencie na samą masę materiału.

• Porowatość - określa jaka część całej objętości w procencie przypada na pory.

• Wilgotność - jest to stan zawilgocenia materiału w chwili badania- jest to stosunek masy wody zawartej w próbce do masy materiału suchego.

• Zawilgocenie sorpcyjne - zdolność do zawilgocenia materiału spowodowana wchłanianiem przez ten materiał pary wodnej z powietrza. (w określonej temp. i wilgotności powietrza).

• Higroskopijność - zawilgocenie spowodowane pochłonięciem przez materiał z powietrza określonej ilości pary wodnej w warunkach określonej temp powietrza i wilgotności wzg.=97±3%

• Nasiąkliwość- zdolność wchłaniania przez materiał wody przy ciśnieniu atmosferycznym. Rozróżniamy trzy rodzaje nasiąkliwości: masowa, objętościowa i względna.

• stopień nasycenia- stosunek nasiąkliwości objętościowej do nasiąkliwości maksymalnej.

• przesiąkliwość-zdolność do przepuszczania wody, która przenikając przez materiał znajduje się pod określonym ciśnieniem.

• kapilarne podciąganie wody- zdolność wznoszenia się wody w kapilarach materiału w wyniku działania sił kapilarnych.

• współczynnik rozmiękania- „k”- charakteryzuje przydatność materiału do stosowania go w warunkach zwiększonego zawilgocenia.

• paroprzepuszczalność- zdolność materiału do przepuszczania pary wodnej.

• infiltracja- zdolność materiału do przepuszczania powietrza.

• mrozoodporność- określa odporność materiału na niszczące działanie zamarzającej w porach materiału wody.

• przewodnictwo cieplne- zdolność materiału do przewodzenia ciepła od jednej powierzchni do drugiej.

• pojemność cieplna- zdolność materiału do pochłaniania i kumulowania ciepła w czasie ogrzewania.

• ciepło właściwe- ilość ciepła w [J] potrzebna do ogrzania 1 kg mat. o 1⁰.

• rozszerzalność cieplna- cecha polegająca na zmianie wymiarów pod wpływem zmian temperatury.

Cechy mechaniczne

• wytrzymałość na ściskanie- największe naprężenie jakie wytrzymuje próbka materiału podczas zgniatania.

• wytrzymałość na rozciąganie- największe naprężenie jakie wytrzymuje próbka materiału podczas rozciągania.

• wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu- naprężenie określone stosunkiem momentu zginającego(M) do wskaźnika wytrzymałości przekroju (W).

• wytrzymałość na ścinanie- określa stosunek siły ścinającej próbkę do jej przekroju.

• twardość- odporność materiału na odkształcenia wywołane działaniem skupionego nacisku.

• ścieralność- jest to podatność na ścieranie.

• kruchość- polega na niszczeniu materiału pod działaniem sił zewnętrznych bez wystąpienia odkształceń plastycznych.

Cechy chemiczne

• odporność na korozję- odporność na proces niszczenia materiału i jego pierwotnych właściwości. Najwyższą odporność na środowisko agresywne wykazują: wyroby ceramiki spieczonej, tworzywa sztuczne, materiały bitumiczne.

• odporność na starzenie- odporność na utratę pierwotnych właściwości materiału. Starzenie związane jest z pojawieniem się samorzutnych zmian strukturalnych w materiale. Im wolniej te zmiany zachodzą , tym bardziej odporny jest materiał.

• odporność ogniowa w czasie pożaru- wpływają na nią takie cechy materiału jak: palność, zapalność, izolacyjność pożarowa, szczelność, powierzchniowe rozprzestrzenianie się ognia, toksyczność.

IV.2. Charakterystyki mechaniczne materiałów i ich doświadczalne wyznaczani

• Wytrzymałość mechaniczna - wytrzymałość mechaniczna jest to opór stawiany, przez materiał zniszczeniu jego struktury działaniem obciążenia (sił zewnętrznych). Ocenia się ją przez tzw. wytrzymałość doraźną lub długotrwałą (obciążenie działa na materiał dłuższy czas).

Rozróżnia się wytrzymałość na ściskanie, zginanie, ścinanie i inne.

• Wytrzymałość na ściskanie

Badania przeprowadza się na próbkach przeważnie o kształcie sześcianów lub prostopadłościanów, ewentualnie walcowe, przy czym dla różnych materiałów wymiary są różne. Dla kamieni np. wymiar próbek wynosi 5,0 x 5,0 x 5,0 cm, dla drewna 2x2 cm itd.

Wytrzymałość na ściskanie określa się ze wzoru:

, kG/cm² (N/m²)

gdzie: P - siła zgniatająca próbkę, kG( N ),

F - powierzchnia próbki, cm² (m² ).

• Wytrzymałość na rozciąganie

Badania przeprowadza się na próbkach o kształtach zgodnych z zaleceniami w normach. Materiały kruche: kamień, beton mają małą wytrzymałość na rozciąganie, natomiast stal i drewno - dużą. Wytrzymałość na rozciąganie określa się ze wzoru:

, kG/cm² (N/m²)

gdzie: P - siła rozrywająca próbkę, kG(N),

F - powierzchnia próbki, cm²(m² )

Doświadczalnie przeprowadza się na próbkach, które mają kształt pokazany na rys. nr l. Za długość pomiarową (bazę) uznajemy L₀ (przekroje poprzeczne na końcach tej bazy możemy uznać za obciążone równomiernie). Wartości odczytane z maszyny wytrzymałościowej, dają obraz funkcji σ =f(ε). Charakterystyczne granice (wykres stali miękkiej ) przedstawia rys. nr 2.

rys. nr 1. rys. nr 2.

• granica proporcjonalności R_H - jest to przedział, w którym przyrostom odkształcenia odpowiadają proporcjonalne przyrosty naprężeń, (moduł Younga jest współczynnikiem kierunkowym prostej ).

• granica sprężystości R_s - największe naprężenie, do którego materiał zachowuje się w sposób sprężysty. Inaczej, takie naprężenie w którym odkształcenie trwałe osiągnie wartość ε_trw = 0.05% (R_0.05).np. pręt o długości 1m wydłuży się o 0.5mm

Dla wielu materiałów powyższe granice R_H ,R_s leżą bardzo blisko siebie i w praktyce ich nie rozróżniamy.

• granica plastyczności R_e - naprężenie, przy którym następuje przyrost odkształceń bez wzrostu siły, inaczej naprężenie przy którym odkształcenie trwałe wynosi ε_trw =0,2% (R_0.2),wydłużenie pręta metrowej długości o 2mm. (dla stali miękkiej granicy plastyczności towarzyszy tzw. zjawisko płynięcia materiału - niezauważalnemu wzrostowi naprężeń towarzyszą znaczne odkształcenia:10 do 15 razy większe niż odkształcenia przy granicy sprężystości. Dzieje się tak tylko do osiągnięcia pewnej wartości odkształcenia, od której następuje samowzmocnienie materiału. Do tego momentu materiał zachowuje się jak idealnie plastyczny, dalej próbka zaczyna się niebezpiecznie przewężać - powstaje tzw. szyjka.

• granica wytrzymałości R_m - naprężenie, przy którym następuje zerwanie próbki, wartość naprężenia przy której rozpoczyna się przedział niebezpiecznego przewężania.

gdzie:

odcinek OA granica proporcjonalności - R_{H ;} granica sprężystości -R_s ;

odcinek BC - granica plastyczności -R_e;

odcinek CD - samowzmocnienie materiału ;

poniżej pkt. D - granica wytrzymałości

Wytrzymałość na zginanie

Badania przeprowadza się na beleczkach znormalizowanych wg zaleceń normy. Wytrzymałość na zginanie oblicza się z wzoru:

R_g = M/W kG/cm² (N/m²)

gdzie: M - moment zginający, kGcm (Nm),

W - wskaźnik wytrzymałości, cm³ (m³).

U większości materiałów budowlanych, jak kamień, beton itp., pierwsze rysy pokazują się w dolnych partiach beleczek gdyż materiały te mają wielokrotnie mniejszą wytrzymałość na rozciąganie niż na ściskanie.

• Sprężystość

Sprężystość jest to zdolność ciała do przyjmowania pierwotnej postaci o tych samych wymiarach po usunięciu obciążenia pomimo, że pod obciążeniem zmieniało ono swój kształt. Sprężyste właściwości danego materiału charakteryzuje się tzw. współczynnikami (modułem) sprężystości E w kG/cm² (N/m²) ; `

• Plastyczność

Plastyczność jest to zdolność materiału do zachowania odkształceń, tj. do zachowania trwałych zmian w jego postaci pomimo usunięcia sił, które odkształcenia te spowodowały.

• Pełzanie

Pełzanie jest to zjawisko wywierające znaczny wpływ na wytrzymałość materiału, charakteryzujące się nieprzerwanym wzrostem odkształceń plastycznych przy niezmiennym obciążeniu. Wielkość pełzania zależy od struktury, wieku materiału i od czasu działania obciążenia.

• Relaksacja

Relaksacja jest to zjawisko związane z pełzaniem, charakteryzuje się spadkiem wewnętrznych naprężeń przy stałym (niezmiennym) odkształceniu.

• Ciągliwość

Ciągliwość charakteryzuje się tym, że materiały nie wykazują zniszczenia przy znacznym odkształceniu plastycznym.

• Kruchość

Kruchość jest przeciwieństwem ciągliwości i charakteryzuje się tym, że materiał ulega nagłemu zniszczeniu bez wyraźnych odkształceń poprzedzających zwykle zniszczenie materiału. Określa się ją stosunkiem wytrzymałości na rozrywanie do wytrzymałości na ściskanie. W przypadku gdy stosunek ten jest mniejszy od 1/8, to materiały zaliczamy do kruchych.

• Twardość

Twardość jest cechą charakteryzującą odporność badanego materiału na odkształcenie trwałe przy wciskaniu w niego ciała bardziej twardego. Im twardość jest większa, tym materiał jest trudniejszy w obróbce i tym odporniejszy na zarysowanie się, na zużycie od chodzenia itp. Na przykład twardość drewna oznacza się metodą Janki lub Brinella, kamienia wg skali Mohsa.

• Ścieralność

Odporność na ścieranie bada się na tarczy Bohmego, a wyraża się, np. dla kamieni badanych na tej tarczy, stratą wysokości badanej próbki poddanej ścieraniu. Badania ścieralności przeprowadza się na sześcianach. Stratę wysokości s określa się jako ubytek ciężaru G_u próbki podzielonej przez jej przekrój F (cm² ) i ciężar objętościowy γ₀.

s = G_u/Fγ₀ cm(m )

• Odporność na uderzenie

Odporność na uderzenie, tj. zdolność wytrzymywania nagłych uderzeń dynamicznych, jest specjalnie ważna dla: posadzek na które mogą np. spadać ciężary, płyt chodnikowych, cienkich ścian (szczególnie zewnętrznych), okładzin itp. Miarą odporności na uderzenie jest praca potrzebna do stłuczenia płytki lub przełamania innych elementów. Badania wykonuje się na tzw. Przyrządzie Martensa i innych podanych w normach.

Wytrzymałością charakterystyczną - R_i nazywamy granice wyznaczone na podstawie badań dośw. (R_s, R_e, R_m ).

Wytrzymałością obliczeniowa - R - nazywamy wytrzymałość, którą bierzemy od obliczeń projektowych i która uwzględnia czynniki przypadkowe tj. niedokładne dane o wymiarach geom. konstrukcji, niedokładnie przewidziane rzeczywiste obciążenia itp. Wytrzymałości obliczeniowe otrzymywane są z podzielenia wytrzymałości charakterystycznej przez współczynnik γ _m >1, gdzie γ _m współczynnik materiałowy.

L₀

---