CECHY FIZYCZNE MATERIAŁÓW
Gęstość - masa jednostki objętości materiału bez uwzględnienia porów wewnętrznych,
Gęstość pozorna - masa jednostki objętości materiału wraz z porami wewnątrz,
Gęstość nasypowa - masa jednostki objętości materiałów sypkich (w stanie luźnym lub wstrząśnionym),
Szczelność - procentowa objętość wolnych przestrzeni w materiale,
Nasiąkliwość - zdolność materiałów do wchłaniania wody i jej utrzymywania w maksymalnej zawartości,
Wilgotność - procentowa zawartość wody w materiale,
Higroskopijność - zdolność materiałów do wchłaniania wilgoci z otaczającego powietrza,
Szybkość wysychania - zdolność materiałów do wydzielania wody w określonych warunkach,
Kapilarność - zdolność podciągania wody przez kapilary ku górze,
Przesiąkliwość - podatność materiałów na przepuszczanie wody pod ciśnieniem,
Paro przepuszczalność - podatność materiałów na przepuszczanie pary wodnej pod ciśnieniem,
Mrozoodporność - odporność nasączonego materiału na wpływ niskich temperatur,
Przewodność cieplna - zdolność przewodzenia strumienia cieplnego do różnicy temperatur na powierzchniach materiałów,
Pojemność cieplna - zdolność kumulowania ciepła przez materiał przy jego ogrzewaniu,
Rozszerzalność cieplna - zmiana wymiarów pod wpływem zmiany temperatury,
Ogniotrwałość - jest to cecha mówiąca o zdolności zachowania kształtów pod długotrwałym działaniem wysokiej temperatury;
ogniotrwałe - 1580˚C <
trudnotopliwe - 1350 - 1580˚C
łatwo topliwe - 1350˚C >
Ognioodporność - brak niszczącego działania ognia w temperaturze 825˚C,
niepalne - szkło, azbest, ceramika, materiały kamienne,
trudnopalne - tlą się, zwęglają przy czynnym źródle ognia,
palne - rozpalają się płomieniem bez źródła ognia,
łatwopalne - zapalają się pod wpływem wysokiej temperatury,
Rozróżniamy pięć klas odporności ogniowej.
IV - ciało nie rozpala się w temperaturze 825˚C prędzej niż po upływie 4 h,
II - 2 h
I - 1 h
0,5 - 0,5 h
h - poniżej 15 min,
radioaktywność - zdolność Materiałów do emitowania pierwiastków radioaktywnych do otoczenia,
Układ - fragment materii w którym skupiona jest uwaga - wyodrębniony z otaczającego świata - wszystko co poza nim i co ma jakiś wpływ na jego zachowania nazywamy otoczeniem;
Monolit - materiał w którym zawartość porów = 0 (szkło okiennr, metale, asfalt, - są to mat.szczelne, nieprzenikliwe dla gazów)
Materiały pochodzenia:
+organicznego 1,16[Mg/m3];
+mineralnego 2,5-3,5[Mg/m3];
+metale 1,7-(7-8)-20[Mg/m3];
beton komórkowy (ρ=2,7; ρp=0,7 ->z uwzględnieniem porów);
POROWATOŚĆ - objętość wolnych przestrzeni w jednostce obj.mat. P=[1-(ρp/ρ)] lub w procentach *100%
wpływ na:
+zmniejszenie obciążenia konstrukcji; zmniejszenie zużycia surowców, energii na utrwalenie kształtów wysokotemperaturową obrubka; zwiększenie bariery przepływu ciepła i dźwięku itd.;
Zawartość porów:
+zmniejsza masę bez zmiany objętości; pogarsza właściwości mechaniczne; zwiększa opór przepływu ciepła i dźwięku; umożliwia przenikanie przez materiał gazów i cieczy; umożliwia utrzymywanie wody w materiale; zwiększa rozwinięcie pow. Kontaktu mat. z otoczneiem, przyśpiesza korozję, zmniejsza trwałość;
*pory zamknięte różnej wielkości (przepuszczalność mała lub żadna, kapilarność mała lub żadna);
*duże otwarte pory (duża przepuszczalność, mała kapilarność);
*podwójne otwarte pory(mała przepuszczalność, duża kapilarność);
porowatość całkowita=porowatość otwarta+porowatość zamknięta;
SZCZELNOŚĆ - ułamek objętości fazy stałej w mat. S=(ρp/ρ) lub w procent.*100%
S+P=1 lub procentowo = 100%
+dla mat.szczelnych:ρp=ρ, S=1, P=0
+dla mat.porowatych: ρp<ρ, S<1, P>0
JAMISTOŚĆ - procentowa zawartość przestrzeni międzyziarnowych w mat.sypkim
w stanie luźnym jl i zagęszczonym jz:
jl=[1-(ρnl/ρp)]*100% ; jz=[1-(ρnz/ρp)]*100%
Wartość jamistości wykorzystuje się przy ustalaniu składu mieszanek betonowych - zaczynu należy dodać co najmniej tyle ile wynosi jamistośc stanu okruchowego;
NASIĄKLIWOŚĆ - zdolność mat.do wchłaniania i utrzymywania wody przy max. zawartości;
Nasiąkliwość wagowa:nw=[(mw-m)/m]*100%
Nasiąkl.objętościowa:no=[(mw-m)/V]*100%
mw- masa próbki nasyconej wodą[g]
m - masa próbki wysuszonej do stałej masy;
ρp=1 =>nw=no ; ρp>1 =>nw<no ; ρp<1 =>nw>no
porowatość otwarta =>nasiąkliwość objętościowa: Po=no ;P=Po+Pz
Siły kohezji - międzycząsteczkowe w jednej fazie;
Siły adhezji - na granicy faz;
Napięcie powierzchniowe - praca potrzebna do odpowiedniego powiększenia powierzchni w wyniku wyprowadzenia cząsteczek z głębi cieczy na jej powierzchnię (praca rozciągania powierzchni przez zwiększenie na niej cząsteczek);
KAPILARNOŚĆ - zachowanie się wody w cienkich rurkach, jest konsekwencją różnych ciśnień (zdolność podciągania wody przez włoskowate kanaliki)
Wysokość podnoszenia wody:
ΔP=h=[(2*δ*cosΘ)/(r*g*ρH2O)]
δ-napięcie powierzchniowe wody 20°C;
r - promień kapilary;
g - przyśpieszenie ziemskie;
Wielkość porów w betonie
r=10-2-10-4 makropory h=15-3 nasiąkliwość
r=10-5-10-7 mezopory h=15-150 kapilarne
r=10-8-10-10 mikropory h=15000 żelowe
PRZESIĄKLIWOŚĆ - podatność mat. Na przepuszczanie wody pod ciśnieniem (ilość wody w gramach przepływająca przez mat. W ciągu 1 godz. Przez 1cm2 pod stałym ciśnieniem;
1ATM=1bar=kg/cm2=0,1 MPa
Stopień wodoszczelności betonu:
W2;W4;W6;W8;W10;W12
(gdzie cyfra oznacza dziesiątą część MPa)
Sorpcja - zdolność materiału do przyjmowania i utrzymywania wilgoci;
Adsorpcja - powierzchniowe wiązanie wody z atmosfery;
Absorpcja - objętościowe wchłanianie wody (nasiąkliwość - niepełna)
Absorpcja betonu [%]:
H2O - 30 min. - 4,7%
H2O - 24 godz. - 7,4%
H2O - 48 godz. - 7,5%
H2O - 53 godz. - 8,1%
Higroskopijność - zdolność do wiązania cząsteczek wody z otaczającej atmosfery (woda wykorzystywana na wiązania nie jest utrzymywana);
skutki wahań wilgotn. materii
+sorpcja; + skurcz; +pęcznienie; +wytrzymałość (pełzanie, współczynnik rozmiękania, mrozoodporność); +dyfuzyjność;
WILGOTNOŚĆ - woda absorbowana w przeliczeniu na masę materiału suchego:
W=[(mw-m)/m]*100%
Adsorpcja (zawilgocenie materiału):
Szkło,metale 0% <ceramika,wapienie < beton,gliny,gips<gazobeton<drewno 16%
Stopień nasycenia (N) - stosunek ilości wody w materiale do jego nasiąkliwości;
Wilgotność względna powietrza (φ) - stosunek wilgotności w danej chwili do max.
φ dla t=20°C = 60% => φ dla t=10°C=80% =>φ dla t=6°C =100% =>φ dla t=4°C = punkt rosy
Wilgotność równowagowa - wilgotność pozostająca w równowadze z wilgotnością względną powietrza.
Wilgotność drewna po ścięciu = 30%
Wilg.wzgl. - dla mokrego materiału:
Ww=W/(1+W) dla drewna 15%
W=Ww/(1-Ww) bezwzględna dla drewna 18%
Skurcz drewna (W=30%)
W 30%=>0% - skurcz= 7-22%
Pełzanie - odkształcanie się elementów w czasie przy stałym obciążeniu;
WSPÓŁCZYNNIK ROZMIĘKANIA (k) - stosunek wytrzymałości materiału w stanie pełnego nasycenia wodą fH2O do suchego fC;
k=(fH2O/fC); k=1 nasiąkliwe; k<0,5 gips; k=0 gliny;
MROZOODPORNOŚĆ - przeciwstawianie się materiału nasyconego wodą cyklicznym zmianom objętości w wyniku zmiany stanu skupienia;
Współczynnik mrozoodporności (Wz) - stosunek wytrzym. Na ściskanie po ostatnim cyklu fcyk do wytrzym. Próbki przed zamrażaniem fC
Wz=(fcyk/fC); Wz>0,75 - mrozoodporne
Ocena mrozoodporności=> ubytek masy, spadek wytrzymałości;
Właściwości związane z ruchem wody:
*ΔP - różnica ciśnień; ΔP≠0
+podciąganie kapilarne;
+przepuszczalność dla gazów i cieczy;
*ΔP=0 różnica stężeń:
+dyfuzja - nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy;
PRZEPUSZCZALNOŚĆ (μ) - właściwość mat. Do przepuszczania cieczy w określonych warunkach (związana z gradientem ciśnienia) ΔP≠0; miarą jest obj. cieczy jaka przeniknie przez materiał w czasie 1 godz. Przez 1 m2 przy ΔP=1[MN/m2]
μ=[(VH2O)/(F*t*ΔP)] [m/s]
Kamień cementowy μ=0,002*10-6
Granit μ=1,6*10-6
PAROPRZEPUSZCZALNOŚĆ - wł.mat. do przepuszczania pary wodnej w określonych warunkach ΔP≠0
μ=[(mol)/(F*t*ΔP)] [g/(m*hPa)]
ΔP-zależy od różnicy temp. (różnicy wilg. Po obu stronach przegrody);
Przy jednakowej temp.dyfuzja będzie przebiegać od większej do mniejszej wilgotności względnej;
OPÓR DYFUZYJNY R - wyraża zmniejszenie szybkości przenikania pary ze wzrostem grubości przegrody;
R=(d/μ) [(m2*hPa)/g]
Względny opór dyfuzyjny - ile razy opór dyfuzyjny mat. jest większy od oporu dyfuz. Warstwy powietrza o tej samej grubości i w tej samej temp.
Dyfuzja - dążność do wyrównania stężeń (proces samorzutny), cząsteczki przemieszczają się z obszarów o większym do obszarów o większym ich stężeniu
Prawo Fick`a:
I=-D*(dc/dx)
I - liczba cząstek dyfundujących;
D - współczynnik dyfuzji;
dc - stężenie cząstek;
dx - grubość próbki;
Właściwości cieplne.
Ciepło - suma energii kinetycznej wszystkich jednostek budujących materiał, miarą tej energii jest temperatura.
Jedn.ciepła - Joul - ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 kg wody o 1K
4186,8 J = 1 kCal = 4,186 kJ
Drgania normalne sieci - wywołanie drgań energią cieplną jednego węzła przekazywane jest w postaci fali sprężystej kolejno na następne aż do wzbudzenia wszystkich węzłów budujących sieć;
Temperatura Debaya - charakterystyczna dla każdego ciała, temp.w której wszystkie węzły sieciowe drgają;
Fonon - min.porcja energii lub inaczej kwant energii drgań cieplnych jaką może pochłonąć lub wydzielić sieć drganiami cieplnymi to jest przejściem wzbudzonego drgania od jednego poziomu energetycznego na sąsiedni;
Ciepło wł. - miara zdolności materiału do pobierania ciepła - ilość ciepła Q jaką należy dostarczyć aby podnieść temp.jedn.masy mat. o 1K
Cp=[Q/(m*(T2-T1))] [kJ/(kg*K)]
Dostarczana energia zużywana jest na:
+zwiększenie energii drgań (częstotliwości i amplitudy);
+tworzenie defektów punktowych;
+zwiększenie stanu energetycznego niektórych elektronów;
Ciepło molowe [J/(mol*K)] - ilość Cp jaką trzeba dostarczyć do ogrzania mat. do charakt. Temp. Deboya przeliczonego na mol (drganie z max amplitudą 6,02*1023 węzłów sieciowych); dla ciał stałych = 15kJ/molK
Pojemność cieplna - zdolność do kumulowania ciepła przez mat. wyrażoną ilością ciepła potrzebnego do ogrzania 1m3 mat.o 1K
CV=[Q/(Vc*{T2-T1})]=Cp*(m/Vc);[kJ/(m3*K)]
Duże różnice w gęstości pozornej mat. i jej zmienność powoduje że porównywanie zdolności do kumulacji ciepła liczbowymi wartościami Cp może okazać się mylące;
Rozszerzalność cieplna - zmiana jakiegokolwiek wymiaru liniowego mat. nazywana jest rozszerzaln.liniową. Jest ona proporcjonalna do zmiany wymiarów liniowych mat.ze wzrostem temp.
Różnica długości:lk-lp=Δl=αlo*(T2-T1)
α=(Δl/lo)*(l/ΔT) ;[1/K * 10-6]
współczyn.proporcjon.α - względna zmiana długości przy zmianie temp. o 1 stopień - współczyn.rozszerzalności liniowej;
dla ciała o budowie izotopowej β=3*α
rozszerzalność - temp.rośnie ze wzrostem amplitudy drgań sieci.
+mat. o więszej wytrzymałości charakteryzują się mniejszym α;
+porowate w stosunku do monolitów charakteryzuje mniejsze α;
+przy dużych ΔT lepiej zachowują się mat. o mniejszym α;
Przewodność cieplna - transport energii cieplnej (różnica temp.punktów - dążenie do jej wyrównania)
Sposoby przekazywania ciepła:
+unoszenie - konwekcja zderzenie cząstek w cieczach i gazach;
+przewodzenie - przekazywanie ruchu jednych cząstek drugim bez zmiany ich położenia - w ciałach stałych:
*fononowe-drganiami normalnymi sieci-diaelektryki;
*ruch elektronów i ich zderzeniami - przewodniki I-go rodzaju.
+przez promieniowanie - fale elektro-magn.
Przewodzenie- miarą przewodności jest współczynnik przewodzenia λ który określa ilość ciepła Q jaka przejdzie przez jednostkę powierzchnii
(dQ)/(dt)=-λF*[(dT)/(dx)]; [W/(m*°C(K))]
stała materiałowa λ;
asymptota drgań - uwarunkowana różnicami mas budujących sieć jednostek, im bardziej złożony skład tym mniejsza przewodność cieplna zmniejszają:+roztwory stałe, + defekty sieciowe;
w metalach 80% ciepła przenoszą elektrony
przewodność temperaturowa
k=(λ/CV); λ>CV (mat. szybciej przekazuje ciepło niż akumuluje);
bezwładność cieplna
λ*dp*Cp=λ*CV
λ-zdoln.mat. do przekaz.ciepła;
CV-jak szybko mat. zareaguje na przekazane ciepło;
Promieniowanie cieplne - zdolność przyjm. Promieniowania cieplnego przez mat. lub jego wysyłania określa się współczyn promieniowania cieplnego C, który podaje ile ciepła przyjmuje lub wysyła 1m2 pow.mat. w czsie 1 godz.
C-zależy od składu i struktury mat.stanu powierzchni i jej temp.
Sadza>śnieg>szkło
Wyprawa wapien.>drewno dąb>żeliwo szare
Beton C=12>Al. C=20>>srebro poler. C=0,5
DŹWIĘK - mechaniczna fala podłużna, impulsowa zmiana ciśnienia;
Drgania akustyczne - rozchodzą się w postaci fal dźwiękowych i wywołują wrażenia słuchowe;
Przemieszczenie energii przez materię jest wynikiem przemieszcz.się zaburzeń materii, a nie w skutek jej postępującego ruchu;
Ucho ludzkie słyszy dźwięk o częstotliwości 16-20000Hz
W<16 Hz - infra dźwięki (trzęsienia ziemi);
w>20000 - ultra dźwięki, duża częstotliwość;
Do rozchodzenia się fal potrzebny jest ośrodek materialny, a głównie jego:
+bezwładność; +sprężystość;
Dźwięki:
+powietrzne - wytwarzane w atm.powietrza rozchodzi się we wszystkich kierunkach;
+uderzeniowy-materiałowy - wytw.w ośrodku stałym wskutek drgań przenoszonych na mat.(uderzenie, chodzenie)
Fale akustyczne mogą ulec:
+odbiciu; +pochłonięciu; + rozproszeniu;
Odbicie - zmiana kierunku fali na granicy 2 ośrodków;
Dźwiękochłonność mat. - wartość liczbowa współczyn.α ,którego miarą jest stosunek natężenia fali pochłoniętej [I] do nat. Fali padającej [IP]
Współczynnik odbicia β - natężenia fali odbitej / natęzenie dźwięku fali padającej;
Zasada zachowania energii: α+β=1
Duże β mają materiały szczelne o dużej gęstości, nie są to mat. dźwiękochłonne;
Drewno: absorbuje 5-10% dźwięki
Odbija 95%
α=0,5 - dobry mat.dźwiękochłonny
1
1