WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH MINERAŁY I SKAŁY

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA INŻYNIERII PROCESOWEJ I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ TECHNOLOGIE MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH MINERAŁY I SKAŁY dr hab. inż. Anna Zielińska-Jurek mgr inż. Zuzanna Bielan Gdańsk, 2019

1. Najważniejsze właściwości techniczne materiałów i wyrobów budowlanych Właściwości materiałów i wyrobów budowlanych można podzielić na trzy zasadnicze grupy: Fizyczne Mechaniczne Chemiczne Fizyczne gęstość szczelność porowatość wilgotność nasiąkliwość higroskopijność przewodność cieplna ogniotrwałość mrozoodporność rozszerzalność cieplna pęcznienie kurczliwość pojemność cieplna Mechaniczne wytrzymałość na ściskanie wytrzymałość na zginanie wytrzymałość na rozciąganie twardość sprężystość plastyczność ścieralność kruchość pełzanie odpornośc na uderzenia (udarność) Ciągliwość Chemiczne twardnienie zaprawy korozja materiałów reaktywność np. wapna proces wiązania spoiw odporność na siarczany toksyczność radioaktywność 2. Właściwości fizyczne a) Gęstość - jest to stosunek masy materiału do jego objętości BEZ PORÓW. Wyróżnić można gęstość objętościową (pozorną) oraz gęstość nasypową. Gęstość objętościowa to to masa jednostki objętości materiału wraz z zawartymi w niej porami (w stanie naturalnym). gdzie: m masa suchej próbki materiału, kg Vo objętość próbki materiału wraz z porami (w stanie naturalnym), m³

Wartość gęstości objętościowej zależy od struktury materiału. Szkło, stal i bitumy mają te wartości równe. Gęstość objętościowa materiałów budowlanych zawiera się w granicach od 20 kg/m 3 dla niektórych materiałów izolacyjnych do 7850 kg/m 3 dla stali. Tabela 1 Gęstości wybranych materiałów [wg. Budownictwo ogólne materiały i wyroby budowlane tom 1; Warszawa 2005] 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 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. Zależnie od wymaganej dokładności, oznaczenia wykonać można w: Piknometrze (pomiar dokładny wg PN-EN 1097-7:2001) Objętościomierzu Le Chatelier a (pomiar przybliżony) PIKNOMETR OBJĘTOŚCIOMIERZ LE CHATELIER A

Oznaczanie gęstości w piknometrze: Badanie polega na umieszczeniu próbki proszku w dokładnie wysuszonym i zważonym piknometrze, którym jest kolba miarowa o znanej objętości np.: 10, 25 lub 50 cm 3. Do piknometru wprowadza się proszek np. do 2/3 objętości i waży, a następnie wolną objętość napełnia cieczą, zwilżającą proszek i jednocześnie chemicznie obojętną w stosunku do niego. Piknometr z proszkiem i cieczą ponownie waży się, lub określa się ilość cieczy wypartej przez proszek. Z wyników ważenia ustala się masę proszku w piknometrze i zajmowaną przez proszek objętość ( do obliczeń konieczna jest znajomość gęstości cieczy). Dzieląc jedno przez drugie (masę przez objętość) wyznacza się gęstość piknometryczną. Oznaczanie gęstości w objętościomierzu Le Chatelier a: Odłupanie i zebranie okruchów materiału o wadze ok. 500 g, Rozcieranie na proszek i przesiewanie przez sito tkane o wielkości oczek 0,5 mm, Wymieszanie i ćwiartowanie do ok. 130 g proszku, Ponowne rozdrobnienie tak, aby całość proszku przeszła przez sito o wielkości oczek 0,08 mm, Suszenie w parownicy w T= 105-110 o C do stałej masy, Proszek po ostygnięciu jest ważony i wsypywany do aparatu Le Chatelier a napełnionego benzenem lub spirytusem skażonym, Ciesz przed wsypaniem proszku powinna sięgać poziomu zerowego (0 cm 3 ), Proszek wsypujemy tak długo, aż ciecz osiągnie poziom 20 cm 3, Pozostałą część proszku waży się i z różnicy mas określa się ilość proszku wsypanego do objętościomierza, Ze stosunku masy wsypanego proszku do jego objętości absolutnej wyznacza się gęstość Wykonuje się dwa badania ostateczny wynik to średnia arytmetyczna, Różnica między wynikami dwóch oznaczeń nie może przekraczać 0,02 g/cm 3 b) Szczelność - określa, jaką część całkowitej objętości badanego materiału zajmuje masa materiału bez porów. Wyraża się ją wzorem: gdzie: ρo gęstość objętościowa [kg/m 3 ], ρ - gęstość [kg/m 3 ]

c) Porowatość jest to liczba określająca zawartość wolnych przestrzeni (porów) w jednostce objętości materiału. Wyraża się wzorami: 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.). Silna porowatość powoduje dużą chłonność wody materiałów budowalnych, np. cegieł. Filtry porowate do oczyszczania wody Płyta pilśniowa porowata lekka d) Wilgotność - zawartość wody w materiale (w danej chwili); określa się ją wzorem: gdzie: mw masa próbki materiału w stanie wilgotnym (w danej chwili) [kg], ms 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 100-150 C, wyrobów gipsowych 70 C, a niektórych tworzyw sztucznych termoplastycznych poniżej 50 C. Wilgotność ma ogromny wpływ na przewodność cieplną materiału, która znacznie wzrasta w miarę wzrostu wilgotności. e) Nasiąkliwość - zdolność pochłaniania wody przez materiał przy ciśnieniu atmosferycznym. Wyróżniamy dwa rodzaje nasiąkliwości: masową oraz objętościową.

nasiąkliwość wagowa (masowa) - jest to stosunek masy wchłoniętej wody do masy próbki materiału suchego gdzie: mn masa próbki materiału w stanie nasycenia wodą, kg, ms masa próbki materiału w stanie suchym, kg. nasiąkliwość objętościowa - jest to stosunek masy wchłoniętej wody do objętości próbki materiału suchego gdzie: V objętość próbki materiału suchego, m³ 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. 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). f) Higroskopijność zdolność materiału do szybkiego wchłaniania pary wodnej z otaczającego go powietrza. Najbardziej higroskopijny materiał chlorek wapnia CaCl2 Najmniej higroskopijny materiał wyroby ceramiczne g) Mrozoodporność odporność materiału na działanie niskich temperatur (podczas wielokrotnego zamrażania i odmrażania materiału).

POMIAR MROZOODPORNOŚCI: Próbki materiałów budowlanych nasyca się wodą przez okres nie krótszy niż 24 godziny, po czym zamraża przez 4 godziny. W zależności od badanego materiału temperatura zamrażania waha się w przedziale od -25 C do -15 C. Następnie próbki wkłada się do wody na okres 2-4 godzin celem rozmrożenia. Proces zamrożenia i rozmrożenia stanowi jeden cykl badawczy. Takich cykli należy przy ocenie odporności mrozowej materiału budowlanego wykonać każdorazowo od 20 w przypadku betonu, cegły ceramicznej, do 50 w przypadku płytek kamionkowych elewacyjnych. h) Przewodność cieplna zdolność materiału do przekazywania ciepła z jednej jego powierzchni do drugiej w wyniku różnicy temperatur tych powierzchni. Określa ją współczynnik przewodzenia ciepła λ, który jest ilością ciepła przechodzącą przez powierzchnię 1 m 2 materiału grubości 1 m w ciągu 1 godziny, przy różnicy temperatur 1 K. Zależy od zawartości porów i wilgotności materiału. Badanie i określanie współczynnika przewodzenia ciepła materiału jest wykonywane zgodnie z normami: PN ISO 8301 i PN ISO 8302. Izolacja cieplna - Określanie oporu cieplnego i właściwości z nim związanych w stanie ustalonym Aparat płytowy z osłoniętą płytą grzejną oraz PN ISO 10456 Określanie deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych. Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów izolacji termicznej np. styropianu: Wartość współczynnika zależy od gęstości Wartość współczynnika zależy od temperatury

Skąd można wziąć wartość λ? z tablic pomiarowy (pomiar w aparacie płytowym) deklarowany przez producenta, zgodnie z PN EN 10456:2008, (Wartość oczekiwana, kwantyl 90% i poziom ufności 90 %) obliczeniowy, zgodnie z PN EN 10456:2008 (konwersja z uwagi na temperaturę wilgotność, starzenie materiału) Zasadniczy wpływ na przewodność cieplną materiału ma jego gęstość i porowatość. Oprócz porowatości i gęstości, wpływ na przewodność cieplną materiału ma jego wilgotność. Wraz ze wzrostem wilgotności szybko wzrasta przewodzenie ciepła. W praktyce budowlanej przy określaniu właściwości izolacyjnych przegród należy więc uwzględniać rzeczywisty stan wilgotnościowy materiałów oraz temperatury. i) Rozszerzalność cieplna właściwość materiału wyrażająca się zmianą wymiarów pod wpływem wzrostu temperatury. j) Pojemność cieplna zdolność do pochłaniania i kumulowania ciepła przez materiał w czasie jego ogrzewania. Miarą jej jest ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1m3 materiału o 1 K. Z wyznaczenia pojemności cieplnej materiałów korzysta się w celu określenia wytrzymałości cieplnej ścian i dachów. Wyznaczanie pojemności cieplnej materiałów: W celu zbadania, jak emitowana jest nagromadzona energia cieplna w czasie stygnięcia różnych materiałów wykorzystywanych w budownictwie, wykonano pewien eksperyment.

Przygotowano dziesięć próbek o wymiarach 4 x 4 x 16 cm (± 0,2 cm) z różnych materiałów budowlanych: stal, beton komórkowy, cegła wapienno-piaskowa, cegła ceramiczna, cegła szamotowa, cztery betony z kruszywem żwirowym (na cemencie portlandzkim i na cemencie glinowym) oraz betony z kruszywem z odpadów ceramiki sanitarnej (na cemencie portlandzkim i na cemencie glinowym), a także granit. Próbki w większości przygotowano przez wycięcie z gotowych elementów budowlanych (bloczki, cegły, kostki brukowe). Próbki betonowe zaformowano w formach stalowych. Próbki umieszczono w suszarce laboratoryjnej, ustawiając jej maksymalną temperaturę pracy 230 C Temperaturę na powierzchni kolejnych próbek badano przy użyciu termometru elektronicznego przez przyłożenie czujnika do powierzchni próbki w połowie jej długości. Próbki pomimo jednakowych rozmiarów oraz pozostawania w jednakowych warunkach cieplnych po wyjęciu z suszarki miały różne temperatury. Najwyższą temperaturę wykazywała próbka ze stali (122,2 C), natomiast najniższą - próbka z betonu komórkowego (76,8 C). 3. Właściwości mechaniczne a) Wytrzymałość na ściskanie największe naprężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas ściskania do momentu jej skruszenia określana jest wzorem: gdzie: Fn siła ściskająca (niszcząca) próbkę, [N], A przekrój poprzeczny próbki ściskanej, prostopadły do kierunku działania siły, [m 2 ] Uwaga: 1 MN/m 2 = 1 MPa

Badanie wytrzymałości na ściskanie polega na przyłożeniu obciążenia, którego konsekwencją jest przybliżenie cząstek ciała do siebie. Wartość liczbowa tej wytrzymałości stanowi iloraz siły ściskającej, która spowodowała zniszczenie struktury materiału i powierzchni, na którą działa siła ściskająca. Próbki do badania wytrzymałości na ściskanie mają kształt sześcianów, prostopadłościanów lub walców. Wartość wytrzymałości na ściskanie materiałów budowlanych waha się w szerokich granicach: od 0,5 MPa dla płyt torfowych, do 1000 MPa (1GPa) i więcej dla wysokogatunkowej stali. b) Wytrzymałość na rozciąganie największe naprężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas rozciągania. Badanie wytrzymałości materiałów na rozciąganie polega na przyłożeniu siły, której konsekwencją jest oddalanie cząstek ciała od siebie. Wartość liczbowa wytrzymałości na rozciąganie stanowi iloraz siły rozciągającej powodującej rozerwanie materiału i powierzchni przekroju poprzecznego, na którą działa siła. gdzie: Fr siła rozciągająca (zrywająca), [N] A przekrój poprzeczny próbki, prostopadły do kierunku działania siły, [m 2 ]. Badane próbki mają różny (specjalny) kształt, zależny od rodzaju materiału, np. stal budowlana pręty; drewno wiosełka; zaczyny i zaprawy ósemki o wymiarach 22,5 x 22,5 x 78,0 mm (PN-85/B-04500). Taki kształt próbek zapewnia rozerwanie próbki w miejscu o najmniejszym, dokładnie mierzalnym przekroju. Tabela: Wartości wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie różnych materiałów budowlanych

c) Wytrzymałość na zginanie naprężenie jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas zginania do momentu jej złamania. Wartość liczbowa wytrzymałości na zginanie stanowi iloraz niszczącego momentu zginającego do wskaźnika wytrzymałości przekroju elementu zginanego. gdzie: M moment zginający, [N m], W wskaźnik wytrzymałości, [m 3 ] Moment zginający wyznacza się w zależności od sposobu obciążenia belki. Jeśli siła (skupiona) niszcząca działa w środku rozpiętości (belki) badanej próbki między dwoma podporami, moment zginający M wynosi: M = F L r 4 [N m] gdzie: F siła niszcząca, [N], Lr rozpiętość próbki między podporami, [m] Jeśli natomiast na belkę (badaną próbkę) działa obciążenie ciągłe o wartości q [N/m] to wartość momentu zginającego wyznacza się wzorem: M = q L r 2 8 [N m] gdzie: q obciążenie ciągłe próbki materiału, [N/m] Lr rozpiętość próbki między podporami, [m] Przy oznaczaniu wytrzymałości na zginanie zniszczenie materiałów zwykle zaczyna się w dolnej rozciąganej strefie. Jest to wynikiem tego, że w większości materiałów (poza stalą i drewnem) wytrzymałość na ściskanie jest większa niż wytrzymałość na rozciąganie. Duża wytrzymałość na zginanie charakteryzuje materiały o wysokiej wytrzymałości zarówno na ściskanie, jak i na rozciąganie. Do tej grupy należą: drewno, stal, aluminium. Dlatego dobrze pracują w konstrukcjach belki z tego rodzaju materiału. d) Twardość odporność materiału na odkształcenie trwałe, wywołane wciskaniem w jego powierzchnię innego materiału o większej twardości. Im większa jest twardość, tym materiał jest trudniejszy w obróbce, a także odporniejszy na zarysowania powierzchni i zużycie pod wpływem działań mechanicznych.

e) Sprężystość zdolność materiału do przyjmowania pierwotnej postaci po usunięciu siły, która spowodowała zmianę jego kształtu. f) Plastyczność zdolność materiału do zachowania odkształceń trwałych, wywołanych przyłożeniem sił zewnętrznych mimo usunięcia tych obciążeń. g) Kruchość stosunek wytrzymałości na rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie. h) Ścieralność podatność materiału do zmniejszenia objętości lub masy pod wpływem działania sił ścierających. i) Pełzanie wzrost odkształceń plastycznych materiału bez zmiany wartości działającej siły zewnętrznej, ma duży wpływ na wytrzymałość materiałów. j) Ciągliwość zdolność materiału do odkształcania się, bez zerwania, a tylko przy zmniejszaniu się przekroju. k) Udarność (odporność na uderzenia) mierzy się pracą potrzebną do stłuczenia lub przełamania próbki. 4. Skały i minerały Przede wszystkim, rozpoczynając omawianie skał i minerałów, należy zadać sobie pytanie, jaka jest różnica między tymi dwiema formacjami? MINERAŁ ciało jednorodne pod względem fizykochemicznym, powstałe na skutek procesów geologicznych. Minerałem może być związek chemiczny (przeważnie nieorganiczny) lub pierwiastek rodzimy. SKAŁA naturalnie powstały zespół minerałów. - Monomineralne jeden rodzaj minerałów - Polimineralne wiele rodzajów minerałów Najważniejszym parametrem charakteryzującym minerały i skały jest TWARDOŚĆ. Twardość jest miara odporności materiału ( ciała stałego) przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu wskutek wciskania w nią drugiego twardszego ciała zwanego wgłębnikiem. Wgłębnikiem jest zazwyczaj kulka stalowa albo stożek lub ostrosłup.

Można wyróżnić następujące metody badań twardości: metoda ryskowa metody statyczne metody dynamiczne a) Metoda Mohsa - inaczej nazywana metodą ryskową, jest jedną z najstarszych metod i polega na przyrównywaniu twardości badanego materiału do twardości wybranych minerałów. Zaproponowana została przez Mohsa, który wybranym minerałom przyporządkował kolejne liczby od 1 do 10. Tworzą one skalę twardości minerałów. O tym który minerał reprezentuje większą twardość decyduje możliwość jego zarysowania.

Prostą metodą na zapamiętanie kolejności minerałów występujących w Skali Mohsa jest rymowanka: TA-GI-KA FLU-A-SKA KWA-TO-KOR-DIA TALK FLUORYT KWARC GIPS APATYT TOPAZ KALCYT SKALEŃ (ortoklaz) KORUND DIAMENT b) Metody statyczne - w metodach tych twardość materiału określa się w zależności od wartości siły obciążającej wgłębnik i wielkości odkształcenia trwałego wywołanego działaniem tej siły. Do najbardziej rozpowszechnionych metod statycznych zalicza się metody: Brinella, Rockwella Vickersa Wybór metody zależy od twardości badanego materiału oraz od grubości badanego elementu lub badanej warstwy. Materiały mogą być badane na makrotwardość lub mikrotwardość. Przy badaniu makrotwardości określa się twardość materiału jako całości, natomiast przy badaniach mikrotwardości określa się twardość poszczególnych składników strukturalnych danego materiału. Próby mikrotwardości stosowane są również ze względu na konieczność pomiaru twardości elementów o bardzo małych wymiarach takich jak: druty o średnicach rzędu 0.1 mm, żyletki w przekroju poprzecznym, cienkie warstwy galwaniczne, nawęglane, azotowane Wśród badan mikrotwardości można wymienić metodę Vickersa. Metoda pomiaru twardości sposobem Vickersa (PN-EN ISO 6507-1:1999) polega na wciskaniu w próbkę diamentowego wgłębnika w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie wierzchołkowym 136 z określoną siłą oraz zmierzeniu długości przekątnych d1 i d2 powstałego odcisku, po usunięciu obciążenia.

Twardość Vickersa jest oznaczona symbolem HV poprzedzonym wartością twardości, po którym następuje liczba określająca siłę obciążającą oraz warunkowo czas jej działania np.: 640HV30 - oznacza twardość Vickersa 640 mierzona przy sile obciążającej 294,2N działającej w czasie od 10 s do15 s 640HV30/20 - oznacza twardość Vickersa 640 mierzona przy sile obciążającej 294,2N działającej w czasie od 20 s Metoda pomiaru twardości Vickersa wykazuje szereg zalet, do których zalicza się: możliwość pomiarów twardości materiałów miękkich i twardych przy użyciu jednej skali, możliwość pomiaru twardości przedmiotów małych i cienkich warstw utwardzonych, przedmiot nie ulega zniszczeniu Wadą tej metody jest natomiast jej nieprzydatność w pomiarach twardości materiałów niejednorodnych. Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał prostopadle do jego powierzchni wgłębnika siłą wstępną F0, a następnie siłą główną F1. Miarą twardości jest trwały przyrost głębokości odcisku 4 pod działaniem określonej siły wstępnej, po usunięciu głównej siły obciążającej. 1 - głębokość odcisku pod wpływem wstępnej siły obciążającej F0, 2 - głębokość odcisku pod wpływem głównej siły obciążającej F1, 3- sprężysty powrót po usunięciu głównej siły obciążającej F1,

4 - trwały przyrost głębokości odcisku h, 5 - powierzchnia próbki, 6 - płaszczyzna odniesienia, 7 - pozycja wgłębnika Zalety: bardzo szybki odczyt, twardości i znikome uszkodzenia badanego elementu, do kontroli części hartowanych w masowej produkcji, możliwość pomiarów twardości materiałów zarówno miękkich jak i twardych. Wady: różnorodność skal pomiarowych, małe odciski wgłębników w tej metodzie nie pozwalają na pomiary twardości materiałów niejednorodnych. c) Metody dynamiczne - wykonywane są znacznie rzadziej niż statyczne. Bezpośrednią przyczyną takiej sytuacji jest ich mniejsza dokładność. Wykorzystuje się je przeważnie dla celów kontroli pracy i jakości materiałów. Dynamiczny pomiar twardości polega na udarowym działaniu wgłębnika na badaną powierzchnię. Wyróżnić tu można metodę Shore a oraz metodę porównawczą za pomocą młotka Poldi ego Metoda Shore a polega na pomiarze wysokości odbicia od badanego materiału swobodnie spadającego z określonej wysokości ciężarka stalowego o masie 2,626 g zakończonego twardym wgłębnikiem. Jest ona najczęściej stosowana do pomiaru twardości gumy. Ze względu na krótki czas pomiaru znalazła ona zastosowanie w masowym pomiarze twardości małych przedmiotów.