Struktura a vlastnosti stavebních hmot Cvičení 2 Ing. Pavel Mec pavel.mec@vsb.cz F 210

Směs a složka … jaká skupenství znáte ? Složka = „základní látka“, která je tvořena stejnými částicemi Směs = látka, která se skládá z více složek. Prakticky všechny reálné látky. Složku můžeme ze směsi izolovat (chemicky, mechanicky, chemicko – fyzikálními postupy) Pokud jedna složka ve směsi výrazně převládá, hovoříme o jednosložkových látkách Základní fyzikální vlastností látky je SKUPENSTVÍ … jaká skupenství znáte ?

Pevné látky Krystalické: chemickými pochody vznikají krystaly (vazby mezi atomy, molekulami, ionty), stavba krystalové mřížky a druh vazeb je rozhodujícím faktorem pro fyzikálně – mechanické vlastnosti látky Amorfní: látka nevytváří krystaly Heterogenní a homogenní látky Heterogenní pórovité: póry jsou vyplněny vzduchem, jiným plynem, vodou Heterogenní zrnité: fáze (složka) netvoří jednu kostru ale je rozdělena do zrn Kompozity a hybridní kompozity: hybrid = kompozit z odlišných látek Inteligentní materiály

Základní fyzikální vlastnosti Takové vlastnosti, které charakterizují materiál, surovinu a od těchto vlastností se odvíjejí další vlastnosti. Jsou to: Objemová hmotnost Hustota Pórovitost Vlhkost Zrnitost

Objemová hmotnost a hustota Objemová hmotnost: Je hmotnost určitého objemu látky, včetně pórů a mezer ρV = m/V Hustota: Je hmotnost určitého objemu látky bez pórů, dutin a mezer ρ = m/Vh

Rozdíl mezi objemovou hmotností a hustotou Objemová hmotnost dřeva Hustota dřeva Pod pojmem hustota dřeva rozumíme objemovou hmotnost dřeva (technická terminologie) Hustota dřeva (jako fyzikální pojem) = hustota dřevní hmoty a je pro všechny druhy dřev stejná cca 1500kg/m3 smrk 400 - 500 kg/m3 bříza 600 - 700 kg/m3 akát 700 – 1000 kg/m3 eben Nad 1000 kg/m3

Objemové hmotnosti některých stavebních materiálů kg/m3 hutný beton 2 200 pórobeton 580 perlitová omítka 500 pěnový polyuretan 30 lepenka IPA s těžkou vložkou 1 280 cihla plná pálená 1 800 dřevo 600

Pórovitost Poměr objemu pórů v určitém množství materiálu k celkovému objemu tohoto materiálu se nazývá (celková) pórovitost. Pórovitost se vyjadřuje jako poměr (tzn. bezrozměrné číslo) nebo v %. Druh pórů ovlivňuje některé další fyzikálně – mechanické parametry materiálů. Druhy pórů: Otevřené Uzavřené

Mezerovitost Mezerovitost je charakteristickou vlastností pro sypké materiály. Vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému objemu určitého množství sypké látky. Mezerovitost je proměnnou vlastností, která je závislá od míry zhutnění (setřesení) sypkého materiálu. M = Vcelkový – Vh – Vpórů/ Vcelkový Kde: Vh= objem vlastního materiálu bez dutin, pórů a mezer

Zrnitost Zrnitost je důležitá vlastnost sypkých látek. Zrnitost je poměrná skladba zrn jednotlivých velikostí. Na zrnitosti závisejí další fyzikálně – mechanické vlastnosti, např.: Mezerovitost Propustnost Sypná hmotnost Stlačitelnost Tepelné a akustické vlastnosti

Vlhkostní vlastnosti materiálů Vlhkostní vlastnosti souvisejí s pórovitostí materiálů a ovlivňují další fyzikálně – mechanické vlastnosti, např.: Objemovou hmotnost Mrazuvzdornost Měrnou tepelnou vodivost Pevnostní a tuhostní vlastnosti Vlhkost se vyjadřuje jako množství vody (volné, vázané) ku celkovému objemu (hmotnosti) materiálu.

Vlhkostní vlastnosti pórovitých materiálů Voda se v pórovitých materiálech vyskytuje jako: Volná (vyplňuje dutiny a póry) Vázaná (molekuly vody jsou navázány na molekuly látky ve struktuře materiálu) Kapilární vody (vyplňuje mikrodutiny a mikropóry) Zdroje vlhkosti: Výrobní Zemní Sorpční (přijímaná z okolního vzduchu) Zkondenzovaná Provozní

Vlhkostní vlastnosti - nasákavost Maximální množství vlhkosti, které může být v materiálu obsaženo se vyjadřuje pomocí nasákavosti. Nasákavost: Objemová: udává, kolik % objemu v nasáklém vzorku tvoří voda (od 0 do 100%) Hmotnostní: udává poměr hmotností mezi suchým a nasáklým vzorkem (může být větší než 100%)

Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti vyjadřují schopnost materiálu odolávat mechanickému namáhání (v konstrukci zatížení). Jsou to: Pevnost (v tahu, tlaku, ohybu, příčném tahu, smyku) Tuhostní charakteristiky (modul pružnosti, modul přetvárnosti) Houževnatost a křehkost Součinitel příčné roztažnosti (Poissonův součinitel) Tvrdost a obrusnost Trvanlivost , resp.odolnost proti cyklickému namáhání

Pevnost Pevnost strukturní (teoretická): skutečná pevnost, tzn.kvalita vazebných sil mezi atomy, molekulami, … pro praktické použití ve stavebnictví není laboratorní určování této pevnosti podstatné Pevnost technická: je pevnost zjištěná laboratorně na určitém vzorku, normalizovaným postupem. Určování technické pevnosti je náplní tohoto předmětu Pevnost statistická: na každém vzorku naměříme jinou technickou pevnost, tyto údaje statisticky zpracujeme. Pro praktické použití ve stavebnictví se používá statistická pevnost.

Modul pružnosti Vyjadřuje vztah mezi silou F působící na těleso (materiál) a deformací ∆l Síla vytváří v materiálu napětí σ, které můžeme odvodit ze vztahu: σ = F/A Kde: A je plocha, na kterou síla působí. Plocha se uvažuje svou počáteční velikostí Zatěžované těleso (materiál) se působením síly deformuje, poměrnou deformaci ε vypočítáme ze vztahu: ε = ∆l/l Kde: ∆l je deformace a l je původní rozměr (délka, šířka, výška…)

Modul pružnosti a Hookeův zákon Při malých zatíženích vznikají malé deformace, které při odtížení zmizí, nazýváme je pružné deformace. Hookeův zákon (1676) popisuje vztah mezi napětím a pružnou deformací: E=σ/ε G=τ/γ Kde: E je Youngův modul (modul pružnosti v tahu) G je modul pružnosti ve smyku

Pracovní diagram Pracovní diagram dřeva při zatížení smykem rovnoběžně s vlákny

Pracovní diagram Pracovní diagram dřeva při zatížení smykem rovnoběžně s vlákny

Moduly pružnosti různých materiálů Modul pružnosti E (Mpa) ocel 210 000 cihla 9 000 dřevo 10 000 beton 16 000 skelný laminát 20 000 sklo 50 000 hliník 65 000

Tepelné vlastnosti Tepelně – fyzikální: Tepelná vodivost Tepelná kapacita Tepelně – technické: Tepelná jímavost Součinitel teplotní vodivosti Tepelný odpor vrstvy materiálu

Šíření tepla Vedením Prouděním Sáláním Způsob šíření tepla v materiálu je závislé na vlastnostech materiálu: Pórovitosti Struktuře Teplotě Typu materiálu (kov – nekov) V pevných látkách se teplo šíří vedením. V pórech a mezerách se uplatňují i přenosy tepla sáláním a prouděním.

Teplotní lineární délková roztažnost Při zahřívání a ochlazování materiálů dochází k jejich vratným délkovým a objemovým změnám. Tyto změny můžeme vyjádřit vztahem: ∆L = α . L0 . ∆T Kde: α je součinitel lineární teplotní roztažnosti L0 je délka při výchozí teplotě ∆T je změna teploty

Akustické vlastnosti Potlačení odrazu zvukových vln (kinosály, divadla, zasedací místnosti,…) – pohlcující konstrukce Potlačení přenosu zvukových vln (dělicí stěny mezi byty, podlahy,…) – zvukoizolační konstrukce Materiály z hlediska jejich vhodnosti: Akusticky měkké Akusticky tvrdé

Materiály pro neprůzvučné konstrukce Přenos zvukových vln mezi dvěma prostory přes materiál musí probíhat s určitou ztrátou akustického výkonu Jednoduché a vrstvené konstrukce Neprůzvučnost jednoduchých konstrukcí záleží na: Objemové hmotnosti Dynamickém modulu pružnosti (rychlost šíření zvukových vln) Ztrátovém činiteli

Materiálová kompatibilita Chemické vlastnosti Chemické vlastnosti stavebních hmot vyjadřují schopnost účastnit se chemických reakcí při kontaktu s jinými stavebními materiály nebo v určitém prostředí. Materiálová kompatibilita Stárnutí a koroze Chemické procesy při výrobě a likvidaci materiálů vzhledem ke složkám životního prostředí

Materiálová kompatibilita Iontová výměna (galvanický článek) – mezi některými kovy, např.: Fe + Cu, Kovy a prostředí - např.: železné kovy + hořečnatá maltovina, olovo + acetátové tmely, hliník + čerstvá omítka a beton, Jiné nekovové materiály – např. POLYSTYREN a některé lepenky a lepidla (aromatické uhlovodíky, změkčovadla) …atd…

Stárnutí a koroze Souvisí s trvanlivostními vlastnostmi materiálů Je způsobeno vnějšími vlivy (prostředím) a trváním zatížení Důsledkem je změna struktury materiálů (molekulární struktura) a postupný rozvoj trhlin, deformací, … Působení rostlin a živočichů = biokoroze Koroze může probíhat na vzduchu, ve vodě, v podzemí, … Vliv teploty, UV záření, mechanický a chemický účinek venkovního prostředí (´déšť, mráz, …)

Elektrické a magnetické vlastnosti Je nutné zjišťovat pro materiály, které se uplatňují na stavbách se zvláštními požadavky (telekomunikační věže a pomocné konstrukce pro jejich technologická zařízení, energetika, provozy s výbušným prostředím, apod.) Nejčastěji: elektrická vodivost podlah Antistatická dlažba do elektricky vodivého tmele s uzemněním

Ekologické vlastnosti Dokladuje se ekologickým značením výrobku (I., II. A III. Typu) Pro jednotlivé typy značení jsou různé metodiky zjišťování „ekologičnosti“ výrobku (materiálu) Neexistují jednotné požadavky a metodika, pro každý účel musí být požadavky kladeny zvlášť (projekt, EIA, IIPC, vyhláška, předpis, správní rozhodnutí, …) Bezpečnostní listy výrobků (složení, účinky, likvidace, …) LCA analýza = hodnocení produktu „od kolébky po hrob“, tzn. Od zdrojů (suroviny, doprava, energie pro výrobu až po recyklaci nebo jinou formu likvidace)

Recyklovatelnost Možnost opětovného využití materiálu, prvků, nebo celých konstrukcí. Materiály: beton, cihelná drť, plastové materiály apod. Prvky: Nosníky, vazníky, keramické vložky, ocelové profily apod.

Požární vlastnosti Charakterizují reakci materiálu (častěji konstrukce) na oheň Musí být ověřovány zkouškami nebo výpočtem (např. podle Eurokódů) Hodnotí se: Hořlavost (nehořlavé, nesnadno hořlavé, těžce hořlavé, středně hořlavé, hořlavé) Šíření plamene (index šíření plamene) Ostatní (vznik jedovatých spalin, odkapávání roztavené hmoty, …)