STAVEBNÍ LÁTKY
Základní vlastnosti
stavebních látek
Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D.
Ústav stavebního zkušebnictví
Základní vlastnosti stavebních hmot
Fyzikální vlastnosti
Vlastnosti tvarové a rozměrové
Vlastnosti hmotnostní
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům
Základní vlastnosti stavebních hmot
Mechanické vlastnosti
Síla, tíha, napětí
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálu
Pevnost stavebních hmot
Tvrdost materiálu
1
Základní vlastnosti stavebních hmot
Reologické vlastnosti
Tečení
Studený tok
Dotvarování
atd….
Základní vlastnosti stavebních hmot
Tepelné vlastnosti
Tepelná vodivost
Měrná tepelná kapacita
Teplotní vodivost
Tepelná jímavost
atd….
Základní vlastnosti stavebních hmot
Tepelně technické vlastnosti
Odolnost proti teplu
Žáruvzdornost
Hořlavost
Samozhášivost
atd….
2
Základní vlastnosti stavebních hmot
Ostatní vybrané vlastnosti stavebnin
Akustické vlastnosti
Optické a světelně technické vlastnosti
Elektrické a magnetické vlastnosti
Chemické vlastnosti
atd….
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti tvarové a rozměrové
Zahrnují kvalitativně popis tvaru, případně jeho dodržení (např.
krychle, hranol s rovinnými stěnami, válcový vývrt, apod.) a
související geometrické veličiny (např. délka L, šířka b, apod.) s
přiřazenými číselnými hodnotami.
Délkové vlastnosti mají měřicí jednotku je [ m ], dílčími
jednotkami [ mm ], vyjimečně [ cm ].
Rozměry prvků mohou být skladební (potřebné pro
projektování), výrobní (dané výrobními možnostmi) a skutečné
(dané realizací na stavbě) . Mimo ně bývají uváděny tzv. výrobní
nebo montážní tolerance, tj. mezní hodnoty, uvnitř nichž se
výsledný rozměr výrobku musí pohybovat.
Plošnou jednotkou je [ m2, mm2 ]
Objemovou jednotkou je [ m3 ], dílčí [ mm3 ].
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní - obecně
Vyjadřují tíhové (gravitační) a setrvačné
vlastnosti látek, které zaujímají určitý objem
prostředí - tj. hmotných objektů.
Zjišťují se vážením stavebnin vyplňujících
určitý objem.
3
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní - hmotnost
Hmotnost m je základní fyzikální veličinou,
která vyjadřuje gravitační setrvačné vlastnosti
látky a která tvoří míru jejího množství.
Nezávisí na místě měření a jeho tíhovém
zrychlení (na zemi i na měsíci stejná hmotnost
látky zaujme stejný objem).
Její základní jednotkou je [kg].
Jako dílčí jednotky se užívá [g], [mg], místo
násobné jednotky [Mg] se používá název tuna [t].
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní - hustota
Hustota ρ je vlastnost látky daná jejím
složením a strukturou, nezávisí na místě
měření a jeho tíhovém zrychlení, závisí
ovšem na dalších fyzikálních podmínkách,
jako např. teplotě, tlaku.
Je definována jako podíl hmotnosti a objemu
(bez dutin a pórů) daného množství látky
podle vztahu:
ρ=m/V
[kg.m-3]
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – objemová hmotnost
Objemová hmotnost ρV znamená průměrnou (střední)
hustotu látky rozložené v ohraničeném prostoru. Je
definována jako podíl hmotnosti množství látky a jejího
objemu včetně dutin a pórů, který zaujímá vztahem :
ρV = m/V = (mh+mk+mp)/V
[kg.m-3]
Naměřená hmotnost m je vlastně součtem hmotností vlastní látky
mh a hmotností kapalin mk i plynů mp obsažených v dutinách a
pórech. Proto se musí udávat, za jakých podmínek byla stanovena:
nejčastěji v suchém stavu, obvykle vysušená při 105°C,
někdy v přirozeném stavu - delší dobu uložená v prostoru s relativní
vlhkostí cca 65%, nebo
v mokrém stavu - nasycena vodou.
4
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – sypná hmotnost
Sypná hmotnost ρs je objemovou hmotností sypké
látky, která zaujímá určitý geometrický tvar daný
nádobou nebo vytvořenou "figurou" ( písek nasypaný
do tvaru kužele).
Na první pohled je zřejmé, že záleží jakým způsobem se
zrnitá sypká hmota vpraví do daného tvaru.
Může jít o stav
volně sypaný,
setřesený,
zhutněný vibrací nebo slehnutím.
Obvykle se určuje pro vysušenou látku ve stavu volně
sypaném (z výšky 100 mm) a ve stavu setřeseném (za
působení střásání nebo vibrování).
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – sypná hmotnost
Na příklad u agloporitu (lehké pórovité kamenivo výrobené z
popílku) může být na př.:
ρ s sypná hmotnost ve stavu volně sypaném
800 kg.m-3
ρ t sypná hmotnost ve stavu setřeseném
950 kg.m-3
ρ v objemová hmotnost zrn (včetně pórů)
1400 kg.m-3
ρ hustota (měrná hmotnost) střepu
2600 kg.m-3
S těmito vlastnostmi jsou svázány bezrozměrové vlastnosti
stavebnin :
hutnost,
pórovitost, resp. mezerovitost,
(na nichž záleží i řada dalších vlastností jako vlhkost, pevnost, tepelná
vodivost aj.)
Poněvadž vyjadřují poměr části objemu určitého skupenství látky k
celkovému objemu, který látka zaujímá, udávají se jako
bezrozměrná čísla nebo se vyjadřují v %.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – hutnost
Hutnost H stavebniny vyjadřuje poměr objemu
vyplněného jen pevnou látkou Vh k objemu
celkového množství látky (včetně pórů a
mezer) V, tj. vyplněného pevnou, kapalnou a
plynou částí látky.
Je dána vztahem: H = Vh/V =ρv /ρ
5
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – pórovitost
Pórovitost p stavebniny je doplňkem hutnosti
do l00%.
Je vyjádřena podílem objemu pórů a možných
dutin k celému objemu pórovité, vysušené
pevné látky podle vztahu
p% = 100(1 − H ) = 100
ρ − ρv
[%]
ρ
Tato pórovitost p je pravá pórovitost.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – pórovitost
Někdy se stanovuje pórovitost ponořením látky do destilované vody
při stanovené teplotě a tlaku, t j. vyplněním "otevřených pórů" ze
vztahu:
Pp=100mk/(ρk . V) = 100 . Vk / V
[%]
jako objem vody o hmotnosti mk a hustotě ρk k celkovému objemu
látky.
Nazývá se nepravá pórovitost ps a jejím doplňkem do pravé
pórovitosti je tzv. "skrytá pórovitost ", t j. poměr objemu uzavřených
pórů, které nemohou být nasáknuty tekutinou obklopující
ponořenou látku, k celkovému objemu pórovité látky.
Platí tedy, že p = pp + ps.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti hmotnostní – mezerovitost
Mezerovitost M sypké stavebniny vyjadřuje
poměr objemu mezer mezi zrny (hutnými i
pórovitými) Vh k objemu V, který stavebnina
zaujímá. Je závislá na objemové hmotnosti
zrna a sypné hmotnosti sypké látky. Určuje se
v % ze vztahu
M = 100.Vh V = 100.(
ρv − ρs
)
ρv
[%]
6
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - obecně
Vlastnosti, vyjadřující vztah materiálu k
vodě,
vodním parám,
případně i plynům
mají zásadní vliv i na další fyzikální,
mechanické a chemické vlastnosti materiálů a
stavebních prvků.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - obecně
Z důležitých je to:
vliv na změnu tvaru
bobtnání,
nabývání na objemu,
smršt'ování,
sesychání,
pevnosti
měknutí,
rozbřídavost,
tepelných vlastností
tepelná vodivost,
prostup tepla,
odolnosti proti korozi ap.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - vlhkost
Vlhkost w vyjadřující množství (objem nebo
hmotnost) volné nebo fyzikálně vázané vody
(tj. bez krystalické a jinak chemicky vázané
vody) v pórovité nebo i mezerovité stavební
látce.
Dá se stanovit vysušením zkoumané látky do
ustálené hmotnosti (obvykle při 105 až 110°C).
Vyjadřuje se poměrem množství vody k množství
suché látky (buď hmotnostně nebo objemově).
Rozlišuje se tedy (v %) :
7
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - vlhkost
Hmotnostní vlhkost podle vztahu :
wm = 100 mk / ms = 100 (mw - ms) / ms
Objemová vlhkost podle vztahu:
wv = 100 Vk / V = ( mw - ms ) / (ρk . V)
[%]
[%]
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - vlhkost
Podle toho, kdy se zjišťuje, rozlišuje se vlhkost:
přirozená,
okamžitá (v době odběru vzorku),
počáteční (např. ihned po výrobě),
skladovací,
ustálená (v případě, kdy byla stavebnina vystavena
běžným skladovacím nebo provozním podmínkám).
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - nasákavost
Nasákavost n je schopnost materiálu pojmout
co nejvíce kapaliny.
Zjišt'uje se postupným nořením a zatopením
pórovité látky kapalinou, kde se ponechá do
ustálené hmotnosti.
Vzhledem k tomu, že je to vlastně největší možná
vlhkost materiálu, vyhodnocuje se jako vlhkost.
Rozeznává se rovněž jako u vlhkosti, nasákavost
hmotnostní nm a nasákavost objemová nv .
8
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - navlhavost
Navlhavost (opakem je vysýchavost) je dána
chováním materiálů ve vzdušném prostředí při
působení atmosférické vlhkosti.
Přirozená vlhkost materiálu se zvýšením atmosférické vlhkosti
zvětšuje (při snížení se zmenšuje).
Navlhavost (vysýchavost) se tedy zjišt'uje z rozdílu vlhkosti
mezi dvěma časovými stavy.
Jak navlhavost, tak zejména nasákavost způsobuje změny
původních vlastností materiálů.
Zvláště ovlivňuje jejích hmotnost (tíhu), tepelnou vodivost,
pevnost, délkové a objemové změny, mrazuvzdornost a
odolnost proti chemickému prostředí.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - vzlínavost
Vzlínavost se projevuje u některých látek při
jejich částečném ponoření do kapaliny.
Je způsobena působením kapilárních a sorbčních
sil.
Kapalina vystoupí do jisté výše nad hladinu ponoření,
což se obvykle rozezná podle odlišného zbarvení
povrchu vzorku.
Tato výška je měřítkem vzlínavosti.
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - difůze
Difúze je schopnost pronikání molekul plynů,
par a kapalin mezi molekuly jiné látky.
Je charakterizována tzv. součinitelem difúze.
Udává hmotnostní tok plynů, kapalin nebo par při
jednotkovém rozdílu parciálních tlaků na obou
površích zkušebního vzorku.
Jednotkou je [m2.s-1].
Součinitel difúze je závislý na teplotě a vlhkosti.
9
Fyzikální vlastnosti stavebních hmot
Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům - propustnost
Propustnost je charakterizována součinitelem
propustnosti.
Jako materiálová vlastnost se používá v oboru
mechaniky zemin a ve vodním stavitelství.
Je dána nejen difundující látkou, ale i kapalinou
(nebo plynem) pronikající systémem kapilár, trhlinek,
případně i větších otevřených pórů.
V praxi se často vyjadřuje množstvím kapaliny, která
prošla vrstvou zkoušené látky za časovou jednotku
při daném přetlaku ( např. vodopropustnost betonu,
střešních krytin, azbestocementových trub, aj. ).
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Síla, tíha, napětí - obecně
Mezi nejdůležitější poznatky stavebních inženýrů
navrhujících, provádějících i kontrolujících
stavební konstrukce patří podrobné znalosti o
mechanických vlastnostech stavebních materiálů,
z nichž jsou stavební konstrukce vytvořeny.
Sir Isaac Newton (1643 – 1727)
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Síla, tíha, napětí - obecně
Mechanické vlastnosti určují schopnost prvků a
konstrukcí odolávat účinkům vnějších sil
(zatížení) a vyjadřují odpor materiálu proti změně
jejich tvaru namáháním, případně i porušení.
10
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Síla, tíha, napětí - obecně
Fyzikálně mechanické veličiny, které se používají
k stanovení mechanických vlastnost i stavebnin,
jsou podrobně probírány v teoretických
předmětech stavebního inženýrství, jako je fyzika,
statika, dynamika, pružnost a pevnost a stavební
mechanika.
Uveďme si přehled poznatků z těchto disciplin,
které jsou nutné k pochopení reálných vlastností
zjišt'ovaných zkouškou.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Síla
Síla F je mírou vzájemného působení hmotných
objektů, jako příčina změn jejich pohybových stavů
(změn hybnosti). Podle I I. pohybového Newtonova
zákona platí vztah
F = m. a
[N]
z něhož plyne, že hlavní jednotkou je newton [ N ],
která představuje sílu, která uděluje tělesu o hmotnosti
1 kg zrychlení 1 m . s-2 .
V praxi se používá i násobných jednotek kN a MN.
Síla jako vektor, se dá rozložit do dvou vzájemně kolmých
složek.
Pro svislou, vertikální složku se užívá značka V, pro
vodorovnou (horizontální) složku značka H .
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Tíha
Tíha (tíhová síla) G je síla, kterou těleso působí
v tíhovém poli Země staticky na jiné těleso.
Hodnotově se liší podle polohy místa. Na povrchu Země se
uvažuje střední hodnotou tíhového zrychlení g = 9,80665 =
9,81 m.s-2.
Mimo to se používá veličina měrná tíha (vyvozená hustotou
látky) a objemová tíha (vyvozená objemovou hmotností látky),
jejichž jednotkou je N.m-3.
Je to tedy tíhová síla o velikosti 1 N vyvozená látkou, která
zaujímá objem 1 m3. Tíha se určuje ze vztahu:
G=m.g
[N]
11
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Zatížení
Zatížení F je souhrnný účinek všech vnějších sil
působících na stavební prvek nebo konstrukci (i
zkušební vzorek).
Rozeznává se zatížení stálé G (dané obvykle tíhou), nahodilé
V, sněhem S, větrem W.
Může být klidné - statické, velmi pomalu se měnící kvazistatické nebo rychle se měnící, rázové a periodicky se
opakující - dynamické.
S ohledem na čas působení je krátkodobé a dlouhodobé.
Vyvolává v materiálech prvků a konstrukcí namáhání, jimiž se
prvek, či konstrukce brání změně svého původního tvaru,
případně materiál svému porušení
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Napětí
Mechanické napětí je mírou namáhání materiálu v průřezu
prvku vyvolaného vnějším zatížením a odporem prvku proti
změně původního tvaru. Je dáno podílem elementární síly
∆F a plošky průřezu ∆ A, v němž síla působí
∆F
[ Pa ]
σ=
∆A
Jednotkou napětí je pascal Pa = N.m-2. Většinou se používají násobné
jednotky kPa, MPa = N.mm-2 a GPa.
Mechanické napětí vyjadřuje stav napjatosti ( jednoosý, dvojosý,
trojosý) materiálu v každém elementu prvku. Podle směru a smyslu
působení se napětí rozlišuje na:
napětí normálové σ (normální), kdy síla působí v normále k
dané ploše elementu tělesa a může vyvodit napětí tahové nebo
tlakové,
napětí smykové τ (tečné), kdy síla působí v rovině plochy
tělesa.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Napětí
Při zkoušení stavebních materiálů se často
vyskytuje technický pojem smluvní napětí,
kterým se vyjadřuje výpočet hodnoty napjatosti
tělesa v jeho určitém místě (např. v příčném
řezu)
za
zjednodušujících
předpokladů
předepsaných v technických normách.
12
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Napětí
Tak se třeba u tahové zkoušky ocelového prutu
počítá jako pevnost v tahu z maximální
dosažené síly při jeho přetržení vztažená na
původní nedeformovanou plochu průřezu.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálů - obecně
Tyto vlastnosti bezprostředně souvisí se
vznikem napětí v materiálu, ať již působením
vnějších sil nebo vlivem teplotních, či jiných
objemových změn (na př. vlivem změny
vlhkosti).
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálů - obecně
Tím dochází ve všech látkách ke změně
vzdálenosti mezi strukturálními částicemi,
případně u pevných látek i ke změnám
struktury. Proto mění pevná tělesa svůj tvar, tím
i objem, a dochází u nich k deformaci přetvoření.
Skutečné změny rozměrů tělesa se vyjadřují
nejčastěji vzhledem k původnímu tvaru pomocí
tzv. poměrných deformací.
13
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálů - obecně
Všechny tyto deformace mohou být pružné
(vratné), jestliže po odlehčení materiálu vymizí.
Schopnost látky tělesa nabýt původního tvaru se
jmenuje pružnost.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálů - obecně
Zůstanou-li po odlehčení tělesa nějaké
deformace, nazývají se nepružné (nevratné,
trvalé). Dojde-li v materiálu k makroskopickému
narušení struktury, nazývají se tyto nevratné
deformace tvárné či plastické a příslušná
vlastnost materiálu tvárnost či plasticita.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálů - obecně
Z časového hlediska se deformace rozlišují na
okamžité (časově nezávislé), které vznikají v
okamžiku vzniku napětí a okamžitě po jeho
zániku mizí a na zpožděné (časově závislé), kdy
po zavedení napětí dochází k postupnému
narůstání deformací a po jeho zrušení k
postupnému zmenšování deformací s časem.
14
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálů - obecně
Jedná-li se o časově závislou deformaci v oblasti
pružnosti látky tělesa, jde o dopružování. V
případě časově závislé nevratné deformace
mluvíme o dotvarování.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné vlastnosti materiálů – poměrné prodloužení
poměrné prodloužení (zkrácení) ε ve směru
namáhání tahem (tlakem) podle vztahu
L − Lo
∆L
ε =
=
Lo
Lo
kde Lo je původní délka prvku před deformací a L
jeho délka vyvolaná deformací.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné vlastnosti materiálů – poměrné posunutí
poměrné posunutí (zkos) γ, které vyjadřuje
tangentu úhlu, o nějž se v důsledku příčného
působení smykového napětí změní původní
pravý úhel sousedících řezů elementu tělesa
15
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Přetvárné vlastnosti materiálů – poměrné posunutí
poměrné zkroucení (zkrut) δ, které vyjadřuje
úhel pootočení dvou příčných řezů tělesa
dělený jejich vzdáleností
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pracovní diagramy
Deformace pevných látek účinkem napětí
vyjadřuje pracovní diagram (závislost změny
deformace ∆ l na síle F) nebo deformační
diagram (závislost poměrné deformace ε na
napětí σ ji vyvozující).
Platí že, ε = ∆L /L, kde ∆ L je změna původní
délky vztažené k původní délce l a σ = F / A ,
tedy poměr síly a plochy průřezu zkoušeného
tělesa.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
16
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
Přímkový diagram ukazuje
deformační chování
látky dokonale lineárně
pružné. Po zrušení
zatížení všechny
deformace vymizí,
nezůstanou žádné trvalé
deformace
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
Přímkový diagram
ukazuje deformační
chování látky pružné.
Po zrušení zatížení
všechny deformace
vymizí, nezůstanou
žádné trvalé
deformace
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
Diagram znázorňuje chování
ideální látky pružné
tvárné. Do jistého napětí
se chová dokonale
pružně, po té (dodává-li
se neustále přetvárná
práce) se růst napětí
zmenšuje, až se ustálí na
konečné hodnotě Rkr. Pak
je čára průběhu
rovnoběžná s osou
deformace (x).
17
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
Často se pro teoretické úvahy
a výpočty idealizuje tento
diagram dvěma přímkovými
průběhy, z nichž druhý
vodorovný průběh od osy
napětí (y) idealizuje tzv.
látku dokonale tvárnou.
Zde zprvu roste napětí bez
deformace, až dosáhne
kritické hodnoty Rkr na ose
y a pak bez vzrůstu napětí
roste pouze deformace.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
Průběh může představovat
chování látky nelineárně
pružné, kdy se vzrůstem
napětí roste deformace čím
dál, tím rychleji, ale po
zrušení zatížení jakékoliv
deformace vymizí, nebo i
chování látky pružně tvárné
bez výskytu přirozené
kritické hodnoty R.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Idealizované typy pracovních diagramů
Diagram ukazuje průběh
deformací u tzv. látek
nadpružných, které
kladou zvyšujícímu se
zatížení čím dál, tím
větší odpor a tudíž jejich
přetvoření se zmenšuje
se vzrůstajícím napětím
a závislost je strmější.
18
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pracovní diagram oceli 10 335
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pracovní diagram pružné látky se smluvní mezí kluzu
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pracovní diagramy ocelí různých vlastností
19
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pracovní diagram betonu v tlaku
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pracovní diagram betonu v tlaku
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Konstanty pružnosti pevných těles - obecně
Konstanty pružnosti pevných těles jsou
veličiny, které se používají pro výpočet
deformací
stavebních
prvků
(přetvoření,
kroucení, průhyb), charakterizující pružné
chování látek v mezích Hookeova zákona.
20
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Konstanty pružnosti pevných těles - obecně
Podle Hookeova zákona je deformace
úměrná napětí v oblasti pružnosti látky až do
meze úměrnosti.
Patří sem:
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Konstanty pružnosti pevných těles
Poissonovo číslo (poměr) je absolutní
hodnota podílu poměrného příčného zkrácení a
poměrného podélného prodloužení při jednoosé
napjatosti.
Může nabývat hodnot od 0,00 do 0,50.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Konstanty pružnosti pevných těles
modul pružnosti v tahu (tlaku) E je měrná
veličina tuhosti pevné látky v tahu (tlaku).
V mezích Hookeova zákona je konstantou
úměrnosti normálového napětí a poměrného
podélného prodloužení
E=
σ
ε
[ Pa, MPa, GPa ]
21
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Konstanty pružnosti pevných těles
modul pružnosti ve smyku G je měrná
veličina tuhosti pevné látky ve smyku.
V mezích platnosti Hookeova zákona je
konstantou úměrnosti těchto napětí a zkosu
podle vztahu
G=
τ
γ
[ Pa, MPa, GPa ].
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Konstanty pružnosti pevných těles
modul přetvárnosti v tahu (tlaku) Edef je
definován i mimo oblast pružného chování látky
jako poměr napětí normálového ku celkové
(pružné i nepružné) deformaci.
V případě napětí v tlaku se často označuje jako
modul stlačitelnosti
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost stavebních hmot - obecně
Pevnost stavebnin patří k jejich nejdůležitějším
vlastnostem. Hodnota pevnosti je obvykle dána
smluvním mezním napětím těsně před jejich
porušením. Závisí na způsobu namáhání látky, potom
se jedná o:
statickou pevnost,
dlouhodobou pevnost,
dynamickou pevnost,
pevnost v rázu,
pevnost za pulzujícího namáhání,
v tahu a tlaku a pod.
22
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost stavebních hmot - obecně
Kromě toho záleží i na:
tvaru a velikosti zkušebního vzorku,
jeho opracování,
na směru namáhání se zřetelem k anizotropii tělesa
(beton, dřevo, vrstvené materiály),
na porušení povrchu (vrubová pevnost,
houževnatost),
na rychlosti zatěžování, ap.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost stavebních hmot - obecně
Problematika pevnosti materiálu, zejména
anizotropních a
heterogenních
je neustále v popředí zájmu vědeckého bádání.
Aby byly zaručeny srovnatelné výsledky, musí
být při zjišťování pevnosti bezpodmínečně
dodržena všechna domluvená ustanovení, která
jsou většinou zakotvena v článcích technických
norem.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost stavebních hmot - obecně
Podle toho jakým způsobem je vyvozeno
namáhání materiálu, jde o tyto základní druhy
pevností:
23
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost stavebních hmot – pevnost v tahu Rt
pevnost v tahu Rt - rozumí se tím smluvní
mezní napětí vyvozené při trhací zkoušce
tahem největším zatížením Ft, vztažené na
jednotku počátečního průřezu Ao zkušebního
vzorku, jehož tvar je předepsán příslušnou
normou.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost v tahu Rt
Pevnost v tahu Rt rozumí se tím smluvní
mezní napětí vyvozené
při trhací zkoušce tahem
největším zatížením Ft,
vztažené na jednotku
počátečního průřezu
Ao zkušebního vzorku,
jehož tvar je předepsán
příslušnou normou.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost betonu (kamene) v tlaku
Pevnost v tlaku Rc je mezní napětí při největším
zatížení Fc, které snese zkušební těleso při
zkoušce tlakem, vztažené na plochu
počátečního průřezu Ao .
24
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost v příčném tahu
Rt,tr
Pevnost v příčném tahu Rt,tr (pevnost ve
štípání) je zvláštním druhem pevnosti v
tlaku, tzv. pevnost při soustředěném
namáhání na malou plošku velkého
povrchu konstrukce, kdy dochází k
složitějšímu působení účinkem
soustředěného namáhání a k porušení
látky dochází při dosažení jistého
kritického napětí. Přímkovým tlakovým
namáháním soustředěným na dvě uzké
protilehlé plošky se vyvodí uvnitř tělesa
příčné tahové napětí, které vede k
porušení zkušebního vzorku v dislokační
ploše, spojující obě tlačené plošky.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost betonu (kamene) v ohybu
Častěji než tlačené prvky jsou ve
stavebních konstrukcích
zastoupeny složitěji namáhané
prvky ohýbané. Jsou to např.
různé nosníky (nadokenní překlad),
konzoly (balkónový nosník),
prvky stropních konstrukcí (trám,
žebro, deska)
apod.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost betonu (kamene) v ohybu
25
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost ve smyku Rs
Pevnost ve smyku Rs je střední smykové
napětí τ s probíhající ve smykové ploše
průřezu Ao, které bylo vyvoláno největším
zatížením Fs potřebným k přestřižení
zkušebního vzorku.
Vzorek je (pro každý materiál předepsaným
způsobem) uložen do stříhacího přípravku
mezi pevný a pohyblivý břit.
Pevnost ve smyku je vztažena na jednotku
počáteční plochy Ao průřezu, v němž
nastalo přestřižení .
Jeho znalost je nutná pro různé spojovací
materiály (šroubky, nýty, vruty, hřebíky) a
pro krátké konstrukční nosníky, či prvky
(konzolky, čepy, hmoždinky)
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Pevnost v kroucení Rtor
Pevnost v kroucení Rtor se nejčastěji zjišťuje na
vzorcích kruhového průřezu (plných nebo dutých),
které jsou na jednom konci upnuté do zkušebního
přípravku, na druhém konci zkrucované dvojicí sil
vyvozujících kroutivý moment Mtor.
Vzhledem k tomu, že vznikající smykové napětí τtor má
specifické rozložení po průřezu, počítá se jeho mezní hodnota
při porušení (ukroucení) vzorku, tj. pevnost v kroucení ze
vztahu
[ Pa, MPa]
Rtor = Mtor / Wtor
kde Wtor je průřezový modul v kroucení (torzi) v [ m3] a je
vypočítáván z polárního momentu setrvačnosti v daném
průřezu i uváděn ve statických tabulkách
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Další typy pevností
houževnatost (někdy nazývaná rázuvzdornost) zjišťovaná rázovým
kyvadlovým kladivem (kyvadlovým) za ohybového namáhání vzorku
z úbytku energie vzniklé přeražením (rozlomením) vzorku. Je-li povrch
vzorku hladký, získá se rázová houževnatost, je-li vzorek opatřen
předepsaným vrubem (zářezem) jedná se o vrubovou houževnatost.
Protikladem houževnatosti je křehkost.
soudržnost, která udává pevnost spojení mezi dvěma materiály. Je
výsledkem způsobení přilnavosti - adheze, tzn. smykového působení
(tření) mezi oběma materiály a dosti často i mechanického opření, či
zaklesnutí jednoho materiálu do druhého (např. betonářská výztuž
s podélnými výstupky a příčnými žebírky). Zjišťuje se na příklad z odporu
proti vytažení nebo vytržení z jednoho materiálu (hřebíku, výztuže) z prvku
druhého materiálu (dřevěné desky, betonového kvádru).
Dále sem patří i pevnost v soustředěném tlaku (pod ložisky mostů),
odolnosti proti otluku (vyjadřující např. houževnatost kameniva),
odolnost proti rázu (např. u skla), pevnosti vyvozené dynamickými
účinky, pevnosti pod dlouhodobým zatížením aj.
26
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Tvrdost materiálu
Tvrdost definujeme jako odpor proti tvárné (trvalé
plastické) deformaci materiálu.
Metod měření tvrdosti je velmi mnoho a dělí se obvykle
podle způsobu vyvození síly na
statické
užívané nejčastěji v laboratořích a
dynamické
používané velmi často i na konstrukcích.
Podle způsobu získání čísla tvrdosti (hodnota tvrdosti se
udává číselnou hodnotou bez měřicích jednotek) se dělí
metody tvrdosti na:
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Tvrdost materiálu – vrypové metody
Jednou z nejstarších metod určování tvrdosti je porovnávací metoda
rýpáním jednoho materiálu do druhého. Takto se stanovuje nejznáměji
tvrdost podle Mohse, kdy se zjišťuje první stopa (vryp) ve zkoušeném
materiálu vzniklá postupným rýpáním čistých kamenů seřazených
podle tvrdosti do Mohsovy stupnice tvrdosti:
1. mastek,
2. kamenná sůl,
3. vápenec,
4. kazivec,
5. apatit,
6. živec,
7. křemen, topas,
9. korund,
10. diamant.
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Tvrdost materiálu – vtiskové metody
Nejčastěji se jimi určuje velikost vtisku vytvořeného ve
zkoušeném materiálu zatlačením předepsaného
vnikacího tělíska danou silou zkušebního zařízení. Silový
účinek může být vyvozen staticky lisem nebo tíhou
závaží, popřípadě i dynamicky rázem (kladivem,
pružinovým beranem). Nejčastěji se určují:
Tvrdost podle Brinella HB (kovy)
Tvrdost podle Vickerse HV (kovy)
Tvrdost podle Rockwella HRA, HRC (kovy)
Tvrdost podle Janky HJ (dřevo)
27
Mechanické vlastnosti stavebních hmot
Tvrdost materiálu – vnikací metody
Tyto metody jsou založeny na vniknutí tvrdého
tělesa - špičáku do měkčího materiálu (betony o
nižší pevnosti, malty), opakovanými rázy. Měří se
buď
hloubka vniku špičáku zaraženého předepsaným
počtem úderů nebo naopak
počet úderů potřebný na vnik špičáku do předepsané
hloubky.
Takto pracuje např. mechanický nebo
elektromagnetický špičákový tvrdoměr používaný
pro zkoušení betonů a malt ve stavebnictví.
Reologické vlastnosti stavebních hmot
Obecně
Jsou to mechanické vlastnosti, u nichž se
projevuje výrazná závislost deformací na čase.
Při zatěžování řada stavebních, zejména
kompozitních materiálů vykazuje kromě
deformací okamžitých ještě další změny, závislé
na době zatížení. Tyto deformace nastávají
jednak za normálních teplot, jednak se zvýrazňují
za vyšších teplot, zejména u kovů a plastů.
Reologické vlastnosti stavebních hmot
Obecně
U kovů se této vlastnosti říká tečení nebo
studený tok, u betonu pak dotvarování,
ploužení. Vyskytne-li se dotvarování u látek
pružných, nazývají se pak vazkopružné neboli
viskoelastické. Obdobný stav nastává, odlehčí-li
se dlouhodobě zatížený prvek. Deformace se
zmenší o okamžitou pružnou část, zatímco
časem dochází k dalšímu částečnému vymizení
deformace. Této části se říká zpožděná pružná
deformace a procesu, při němž nastává dopružování (tvarová paměť).
28
Reologické vlastnosti stavebních hmot
Obecně
Látky, u nichž se hned po zatížení vyskytují
nepružné deformace se nazývají vazkotvárné
nebo viskoplastické a proces, který nastává dotvarování.
Reologické vlastnosti stavebních hmot
Obecně
Vyvodí-li se namáhání látek tím, že se jim vnutí
určitá neměnná počáteční deformace, vznikne
v tělese odpovídající napětí. Toto napětí pak
postupně (exponenciálně) klesá, poklesu se říká
relaxace. Znalost míry poklesu je nutná např.
pro určení předpínací síly v předpjatých
betonových konstrukcí.
Reologické vlastnosti stavebních hmot
Obecně
Na reologických vlastnostech hmot je rovněž
závislá i rychlost zatěžování při zkouškách
pevnosti materiálu. Je známo, že při větších
zatěžovacích rychlostech vzrůstá i hodnota
pevnosti látky a naopak.
29
Reologické vlastnosti stavebních hmot
Obecně
Mezi reologické vlastnosti patří dále plasticita,
viskozita, konzistence (např. malt a betonů),
duktilita a penetrace (asfaltů), ap.
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Obecně
Vyjadřují chování materiálů, které jsou vystaveny účinkům tepla
nebo mrazu, jakožto jedné z forem energie. Jistým způsobem se
chovají látky při přenosu tepla, kdy mění svůj tvar nebo objem,
mění své mechanické vlastnosti, pevnost, tvrdost, tažnost,
rozpadají se vysušením, chemickým rozpadem, cyklickým
střídáním tepla a mrazu ap.
Přenos tepla se může dít vedením (kondukcí), kdy teplo přechází
z teplejšího místa na chladnější bezprostředním stykem hmotných
částic nebo prouděním (konvencí), kdy teplo přechází prouděním
molekul nebo jednotlivých částic plynu, či tekutiny z teplejších míst
do chladnějších anebo zářením (radiací), kdy teplejší látka vysílá
elektromagnetické záření k látce chladnější i přes vakuum.
K nejdůležitějším tepelně technickým vlastnostem patří:
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Tepelná vodivost
Je to schopnost látky vést teplo.
Popisuje se součinitelem tepelné vodivosti λ , který udává
tepelný výkon ve watech přenášený v materiálu plochou 1 m2 do
vzdálenosti 1 m při teplotním spádu 1 K. Jednotkou je W . m-1. K-1.
Podle součinitele tepelné vodivosti se materiály rozdělují na dobré
vodiče tepla, např. kovy a špatné vodiče tepla, k nim patří většina
stavebních materiálů. Klesne-li součinitel λ pod hodnotu asi 0,1 W .
m-1 . K-1, mluvíme o látkách tepelně izolačních.
Tepelná vodivost materiálu záleží na jeho složení, struktuře,
pórovitosti, mezerovitosti, vlhkosti, vrstevnatosti a na teplotě.
Zejména vliv vlhkosti u mikroporézních látek má mimořádně
nepříznivý dopad na tepelnou vodivost, neboť součinitel λ rychle
vzrůstá a původní, vysoce účinná tepelná izolace ztrácí při zvýšené
vlhkosti svůj význam
30
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Měrná tepelná kapacita
Měrná tepelná kapacita c vyjadřuje teplo, které musíme dodat 1 kg
látky, aby se ohřálo o 1K. Tato veličina je potřebná pro všechny
tepelnětechnické výpočty v neustálením stavu. Její fyzikální jednotka
je J.kg-1 . K-1.
Největší měrnou tepelnou kapacitu má voda c = 4,186 kJ . kg-1. K-1,
nejmenší pak některé anorganické látky - okolo 0,85 kJ. kg-1.K -1 ,
olovo má např. pouze 0,13 kJ . kg-1 . K-1 . Materiály přírodního původu
mají měrnou tepelnou kapacitu kolem 1 kJ . kg-1 . K-1.
Závisí, podobně jako tepelná vodivost, na vlhkosti a teplotě, zvyšuje-li
se vlhkost, vzrůstá. Je to dáno velkou hodnotou měrné tepelné
kapacity vody.
Změna měrné tepelné kapacity v souvislosti se změnami teploty
souvisí se strukturálními změnami látky účinkem teploty a může
dosáhnout u některých látek (např. makromolekulárních)
i několikanásobné hodnoty.
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Teplotní vodivost
Teplotní vodivost nebo též součinitel teplotní
vodivosti a vyjadřuje rychlost vyrovnání teplot
v tělese při neustáleném vedení tepla. Při vyšší
hodnotě probíhá vyrovnání teplot rychleji. Je
definován vztahem.
a=
λ
c. ρ v
[ m2.s-1 ]
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Tepelná jímavost
Tepelná jímavost b souvisí úzce s teplotní
vodivostí. Vyjadřuje schopnost látky přijímat a
uvolňovat teplo.
Vyšší hodnota jímavosti znamená, že se látka
sice rychleji ohřeje, ale také rychle ochladne. Je
dána součinem
b = λ . c . ρv
[ W2 . s . m-4 . K-2 ]
31
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Teplotní délková roztažnost
Teplotní délková roztažnost α udává změnu
délky tělesa z dané látky při změně teploty podle
vztahu
[K -1]
kde ∆L = L - Lo = α . ∆ T ;
kde
∆L je přírůstek délky, vyvolaný změnou teploty
Lo je měrná délka při výchozí teplotě
∆T je změna teploty ve stupních,
α je součinitel délkové (lineární) teplotní roztažnosti.
Tepelné vlastnosti stavebních hmot
Součinitel délkové teplotní roztažnosti
Součinitel délkové teplotní roztažnosti α pro většinu
stavebních tradičních látek se pohybuje od 6.10-6 K-1
do 24.10-6.K-1.
Makromolekulární látky mají ale součinitel podstatně
vyšší, asi (80 až 110) . 10-6 K-1.
Kombinují-li se tradičními materiály, je třeba s tímto
výrazným rozdílem počítat. Jinak dochází k nepříjemným
závadám estetickým i funkčně statickým, neboť v obou
použitých materiálech mohou vznikat nepříjemná vnitřní
pnutí vedoucí k poruchám.
Tepelně technické vlastnosti stavebních hmot
Odolnost proti teplu
Odolnost proti teplu (teplotní odolnost) se
uvádí ve oC.
Určuje se teplotou látky, při níž právě dojde
k dohodnuté změně mechanických vlastností
látky.
Umožňuje srovnání různých materiálů na základě
změny jedné vlastnosti.
Odolnost vůči teplu většiny stavebních materiálů
dosahuje několika set stupňů Celsia
32
Tepelně technické vlastnosti stavebních hmot
Žáruvzdornost
Žáruvzdornost, jedná se o odolnost vůči teplotám nad
1000oC.
Udává se ve stupních Celsia nebo se užívá zvláštních
jednotek - čísel Segerových žároměrek.
Přesná hranice teploty není dosud ustálená, neboť podle
některých pramenů se za žáruvzdorné pokládají i
betony, které trvale vydrží teplotu nad 200oC, zatímco
podle jiných pramenů jsou žáruvzdorné staviva látky,
které neměknou a trvale vydrží teplotu nad 1580oC
(Segerova žároměrka č. 26)
Tepelně technické vlastnosti stavebních hmot
Hořlavost
Hořlavost se projevuje hořením, žhnutím nebo
doutnáním látky při dosažení jisté teploty, např. teploty
vzplanutí nebo vznícení. Její znalost je velmi důležitá
pro posouzení požární odolnosti stavební konstrukce
z hlediska požární odolnosti a bezpečnosti.
Podle hořlavosti se všechny stavební materiály dělí do
pěti stupňů:
nehořlavé,
nesnadno hořlavé,
těžce hořlavé,
středně hořlavé,
lehce hořlavé.
Tepelně technické vlastnosti stavebních hmot
Samozhášivost
Samozhášivost je schopnost látek po oddálení
plamene během několika vteřin nebo minut
samovolně uhasnout .
33
Tepelně technické vlastnosti stavebních hmot
Požární odolnost
Požární odolnost závisí především na skladbě a rozměrech
jednotlivých vrstev tvořící konstrukční prvek.
Tepelné vlastnosti látek byly v minulosti značně podceňovány. Při
návrzích staveb se vystačilo se znalostmi součinitele teplotní roztažnosti
a součinitele tepelné vodivosti.
S mohutným vzrůstem bytové a občanské výstavby se objevila však řada
závad a škod, jako např. výskyt plísní, promrzání stěn, zvýšená
vlhkost,nízká vnitrní teplota v nejvyšších podlažích, malá požární
odolnost některých částí stavebních konstrukcí, ap. Ukázalo se, že
bezhlavá aplikace některých nových materiálů vedla časem ke škodám.
Rovněž z hlediska energetického je třeba uváženě přistupovat
k návrhům tepelných izolací staveb i k volbě konstrukčních soustav,
vestavovaných dílců apod. Tomu všemu musí sloužit dobrá
všestranná znalost všech tepelně technických vlastností stavebnin.
Děkuji za pozornost
Ing. Tomáš Vymazal, Ph.D.
Ústav stavebního zkušebnictví
34
Download

II. Základní vlastnosti stavebních látek