Właściwości fizyczne materiałów budowlanych.

Do podstawowych właściwości fizycznych materiałów budowlanych należą: gęstość, gęstość pozorna, szczelność, porowatość, wilgotność, nasiąkliwość, przesiąkliwość, przepuszczalność pary wodnej, kapilarność, higroskopijność, przewodność cieplna, pojemność cieplna, odporność na zamrażanie, ogniotrwałość, odporność ogniowa i palność, rozszerzalność cieplna, radioaktywność naturalna, a także: dźwiękochłonność, stopień zmielenia, czas wiązania spoiw, skurcz, pęcznienie.

Gęstość ( ρ ) {grecka litera „ro”};

Gęstością nazywamy masę jednostki objętości substancji materiału w stanie całkowitej szczelności, tj. bez porów i wilgoci. Gęstość jest ilorazem masy substancji materiał do jej objętości i wyrazić ją można wzorem:

ρ 
[g/cm³], (kg/m³)

gdzie: m_s - masa suchej sproszkowanej próbki materiału [g], (kg),
V_a - objętość „absolutna” (bez porów) sproszkowanej próbki materiału [cm³], (m³).

Oznaczenie gęstości można wykonać - zależnie od stopnia wymaganej dokładności:
w piknometrze (pomiar dokładny wg PN-EN 1097-7:2001) lub w objętościomierzu Le Chatelier'a (pomiar przybliżony).

Przebieg oznaczania (badania) gęstości w aparacie Le Chatelier'a (rys. 1.) przedstawiono poniżej:

1. 
   odłupywanie, zbieranie kawałków (okruchy) materiału, ok. 500 g;

2. rozcieranie na proszek i przesiewanie przez sito tkane (0,5 mm);

3. wymieszanie i kwartowanie (ćwiartowanie) do ok. 130 g proszku;

4. ponowne rozdrobnienie tak, aby całość przeszła przez sito 0,08 mm;

5. suszenie w parownicy w temp. 105 - 110 ^oC do stałej masy;

6. ostygnięty proszek ważymy i wsypujemy do aparatu Le Chatelier'a napełnionego benzenem lub spirytusem skażonym;

7. ciecz przed wsypaniem proszku powinna sięgać poziomu zerowego;

8. proszek wsypujemy tak długo, aż ciecz osiągnie poziom 20 cm³;

9. pozostałą część proszku waży się i z różnicy mas określa się ilość proszku wsypanego do objętościomierza;

10. ze stosunku masy wsypanego proszku do jego objętości „absolutnej” wyznacza się wartość gęstości;

11. wykonujemy dwa oznaczenia;

12. wynikiem badania będzie średnia arytmetyczna z dwóch oznaczeń;

13. różnica między wynikami dwóch oznaczeń nie może przekraczać 0,02 g/cm³.

Rys. 1. Objętościomierz Le Chateliera
o wysokości 25 cm

Gęstość pozorna ( ρ_p ) {grecka litera „ro” z indeksem łacińskim „p”};

Gęstość pozorna określa masę jednostki objętości wysuszonego materiału występującego w stanie naturalnym, tj. wraz z porami znajdującymi się w materiale. Gęstość pozorna jest więc ilorazem masy materiału do jego objętości w stanie naturalnym.

ρ_p 
[g/cm³], (kg/m3)

gdzie: m - masa próbki materiału w stanie naturalnym [g], (kg),
V - objętość próbki w stanie naturalnym (wraz z porami) [cm³], (m³).

Gęstość pozorną określamy także gęstością objętościową.

Oznaczenie gęstości pozornej (objętościowej) materiałów o budowie zwartej zależy przede wszystkim od kształtu próbki: foremny kształt lub nieforemny kształt.

Oznaczenie gęstości pozornej przeprowadza się następującymi metodami:

• bezpośrednią na próbkach regularnych, jeżeli uwarstwienie, pęknięcia i inne cechy strukturalne nie stanowią przeszkody w uzyskaniu próbki o kształcie prostej bryły geometrycznej;

• hydrostatyczną, gdy materiał nie odpowiada wymaganiom wymienionym w poprzednim punkcie - próbki materiału mają kształt nieregularny

Gęstość objętościowa

Gęstość objętościową, czyli masę jednostki objętości materiału wraz z zawartymi w niej porami (w stanie naturalnym), określa się wzorem

, kg/m³

gdzie: m - masa suchej próbki materiału, kg

V_o - objętość próbki materiału wraz z porami (w stanie naturalnym), m³

Wartość gęstości objętościowej zależy od struktury materiału. W przypadku większości materiałów jest mniejsza od gęstości (tabl. 1.) Szkło, stal i bitumy mają te wartości równe. Gęstość objętościowa materiałów budowlanych zawiera się w granicach od 20 kg/m³ dla niektórych materiałów izolacyjnych do 7850 kg/m³ dla stali.

Tablica 1. Wartości gęstości i gęstości objętościowej niektórych materiałów budowlanych

Nazwa materiału	Gęstość ρ [g/cm^3]	Gęstość objętościowa ρo [g/cm^3]
Beton zwykły Cement Ceramika czerwona Drewno Piasek Smoła Szkło Stal budowlana Pianizol Styropian	2,8 3,05 - 3,15 2,7 1,55 2,72 1,15 2,65 7,85 1,40 1,10	2,0 - 2,2 1,1 - 1,2 1,8 - 1,95 0,45 - 0,95 1,55 - 1,65 1,15 2,65 7,85 0,0100 0,03

Znajomość gęstości pozornej (objętościowej) pozwala orientacyjnie ocenić przydatność materiałów do poszczególnych elementów budowli. Daje to możliwość przybliżonego określenia innych właściwości materiału, jak wytrzymałości, przewodności cieplnej.

Gęstość nasypowa

Gęstość nasypowa jest to masa jednostki objętości materiału sypkiego w stanie luźnym. Do oznaczania jej stosuje się objętościomierze o różnej pojemności naczyń pomiarowych (najczęściej cylindrów metalowych), zależnie od rodzaju kruszywa. Warunki techniczne oznaczania gęstości nasypowej określa norma PN-EN 1097-3:1998.

Szczelność

Szczelność określa, jaką część całkowitej objętości badanego materiału zajmuje masa materiału bez porów. Wyraża się ją wzorem:

S =
·100 [%]

gdzie: ρ_o - gęstość objętościowa [kg/m³],

ρ - gęstość [kg/m³].

Porowatość

Porowatość określa, jaką część całkowitej objętości materiału stanowi objętość porów. Wyraża się ją wzorem:

P =
·100 [%]

lub

P = (1 - S)·100 [%]

gdzie: ρ_o - gęstość objętościowa [kg/m³],

ρ - gęstość [kg/m³],

S - szczelność [%]

Ze względu na wielkość porów powietrznych materiały dzieli się na drobnoporowate (pory o wymiarach setnej i tysięcznej części milimetra) i wielkoporowate (pory wielkości od dziesiątej części milimetra do 1-2 mm).

Porowatość i szczelność materiałów mają duże znaczenie, decydują bowiem o takich cechach jak: wytrzymałość, mrozoodporność, właściwości izolacyjne, cieplne, dźwiękochłonne. Porowatość materiałów budowlanych zawiera się w granicach od 0% (szkło, bitumy, metale) do 95% (wełna mineralna, pianka poliuretanowa itp.)

Wilgotność

Wilgotnością nazywa się zawartość wody w materiale (w danej chwili). Określa się ją wzorem:

W =
·100 [%]

gdzie: m_w - masa próbki materiału w stanie wilgotnym (w danej chwili) [kg],

m_s - masa próbki materiału w stanie suchym (kiedy kolejne ważenia w odstępach dobowych nie wykazują różnic - wysuszonej do stałej masy) [kg].

Temperatura suszenia większości materiałów wynosi 100-150ºC, wyrobów gipsowych 70ºC, a niektórych tworzyw sztucznych termoplastycznych poniżej 50ºC. Wilgotność ma ogromny wpływ na przewodność cieplną materiału, która znacznie wzrasta w miarę wzrostu wilgotności.

Nasiąkliwość wagowa (masowa)

Nasiąkliwością nazywa się zdolność pochłaniania wody przez materiał przy ciśnieniu atmosferycznym. Nasiąkliwość wagowa jest to stosunek masy wchłoniętej wody do masy próbki materiału suchego. Określa się ją wzorem:

n_w =
·100, %

gdzie: m_n - masa próbki materiału w stanie nasycenia wodą, kg,

m_s - masa próbki materiału w stanie suchym, kg.

Nasiąkliwość objętościowa

Nasiąkliwość objętościowa jest to stosunek masy wchłoniętej wody do objętości próbki materiału suchego. Określa się ja wzorem:

n_o =
·100, %

gdzie: m_n - masa próbki materiału w stanie nasycenia wodą, kg,

m_s - masa próbki materiału w stanie suchym, kg

V - objętość próbki materiału suchego, m³,

Istnieje zależność między nasiąkliwością objętościową n_o i nasiąkliwością wagową n_{w ,} którą przez zastosowanie wartości gęstości objętościowej ρ_o można wyrazić następującym wzorem:

n_o = n_w·ρ_o

Sposób nasycenia materiału wodą zależy przede wszystkim od rodzaju materiału i typu porów. Dla materiałów drobnoporowatych, takich jak np. materiały kamienne (skały magmowe) i wyroby ceramiczne, nasycenie odbywa się przez stopniowe zanurzenie w wodzie, tak aby nie zamknąć powietrza w porach materiału. Maksymalne wartości nasiąkliwość osiąga wówczas, gdy nasycenie odbywa się w próżni.

Zwykle nasiąkliwość materiałów budowlanych jest mniejsza od porowatości. Wynika to z faktu, ze woda nie jest w stanie dostać się do wnętrza porów zamkniętych, a w przypadku porów o średnicach dużych nie wypełnia ich, lecz tylko nawilża ścianki. Nasiąkliwość materiałów budowlanych waha się od 0 % masy (szkło, metale) do powyżej 200 % masy (drewno lub niektóre materiały porowate). Nasycone wodą materiały mają mniejszą wytrzymałość na ściskanie niż próbki suche, większą gęstość objętościową, a niektóre zwiększają również objętość (np. drewno).

Poznania i znajomości wymagają również inne właściwości fizyczne, które maja istotne znaczenie dla badania i poznawania materiałów i wyrobów budowlanych. Do takich należą m.in.

Higroskopijność

Podciąganie kapilarne

Przesiąkliwość

Stopień nasycenia

Zdolność odparowania

Zdolność odparowania określa czas, który jest potrzebny do wysuszenia materiału nasyconego wilgocią, do osiągnięcia stałej masy. Oznaczenie zdolności parowania przeprowadza się w eksykatorze, tj. naczyniu szklanym ze środkiem silnie pochłaniającym wodę.

Przepuszczalność gazów

Mrozoodporność

Skurcz

Odporność na korozję

Odporność na starzenie

Rozszerzalność cieplna

Przewodność cieplna

Pojemność cieplna

Ciepło właściwe

Żaroodporność

Żarowytrzymałość

Odporność ogniowa

Palność oraz Toksyczność

Wg „Budownictwo ogólne - materiały i wyroby budowlane - tom 1”, Arkady, Warszawa 2005 r. (mw)

Str. 4 Właściwości fizyczne materiałów budowlanych

(amw) materiałoznawstwo str. 5

Data utworzenia 2005-12-19 17:28 Data ostatniego wydruku 2005-11-05 02:24

---