Właściwości fizyczne ateriałów Ćwiczenie 2 i 3 Dr inż. Joanna Hydzik-Wiśniewska, KGBiG
Podstawowe własności fizyczne Wilgotność Nasiąkliwość Gęstość (właściwa) Gęstość objętościowa Gęstość nasypowa Porowatość 2
Ćwiczenie 2 Wilgotność i nasiąkliwość Wilgotność procentowy stosunek asy wody zawarty w porach skały do asy próbki wysuszonej do stałej asy. Odpowiada naturalnej zawartości wody w ateriale, niezależnie od ilości jaką dany ateriał oże wchłonąć. w d w 100 [%] d Nasiąkliwość asowa stosunek asy zaabsorbowanej wody przez próbkę ateriału, do asy próbki wysuszonej do stałej asy. s d A b 100 [%] d w asa próbki wilgotnej, g s asa próbki nasyconej, g d asa próbki wysuszonej do stałej asy, g Teperatura suszenia ateriałów uzależniona jest od rodzaju ateriału. Podczas suszenia nie oże dochodzić do zian fazowych ateriału a jedynie do odparowania wody. W teperaturze 110±5ºC suszy się kruszywa, betony, ceraiki budowlane, natoiast w teperaturze 75±5ºC suszy się skały lite. O wysuszeniu lub nasycaniu wodą próbki do stałej asy świadczy taki stan, kiedy w dwóch kolejnych ważeniach, w odstępach 24-godzinnych, asy próbki nie zieniają się więcej niż o 0,1% asy początkowej. 3
Ćwiczenie 2 Wilgotność i nasiąkliwość W skałach ożna wyróżnić trzy rodzaje wody: Woda wolna: cząsteczki tej wody są najsłabiej związane ze skałą siłai fizykoechanicznyi. Woda znajduje się w szczelinach oraz w akro- i ikroporach. Na wodę wolną nie ają wpływu cząsteczki absorbenta. Woda wolna przenika do wnętrza wskutek działania sił kapilarnych, grawitacyjnych i procesów dyfuzji. Woda wolna oże powstać również w procesie kondensacji kapilarnej nasyconej pary wodnej znajdującej się w kapilarach. Woda związana fizykocheiczne: występują dwa rodzaje wiązań: osotyczne i adsorpcyjne. Wiązania osotyczne wiążą wodę w ikroporach siłai zależnyi od wyianów kapilar. Woda zaabsorbowana przylega do ścian kapilar jako pierwsza warstwa zewnętrzna. Następuje przy ty wzajene oddziaływanie adsorbentu, tj. skał o rozwiniętej powierzchni oraz cząsteczek wody. Woda zaadsorbowana różni się w dużej ierze swyi właściwościai od wody wolnej., przejście olekuł wody wolnej lub pary wodnej w wodę związaną fizykocheicznie z wydzielenie energii, która oże zienić się np. w pracę rozsunięcia cząstek szkieletu skalnego przejawiającego się pęcznienie skał. Woda związana cheicznie: najsilniej związana ze skałai lub inerałai. Należy do niej woda krystalizacyjna lub też związana w inny sposób. Woda znajduje się prawie we wszystkich inerałach i skałach jako woda wolna lub też jako woda związana. Może ona być w stanie płynny, stały lub w postaci pary wodnej. Całkowita ilość wody wolnej i związanej charakteryzuje ogólną wilgotność ateriału. Praktycznie przyjuje się za wilgotność ogólną ilość wody odparowanej w teperaturze 110±5ºC. Przy tej teperaturze oprócz wody wolnej oraz związanej fizykocheicznie, usuwana jest też częściowo woda krystalizacyjna. 4
Ćwiczenie 2 Wilgotność i nasiąkliwość Wilgotność jest to względna zawartość wody w ateriale będąca wynikie stanu naturalnego (np. w ściętych drzewach) lub skutkie działania czynników atosferycznych lub eksploatacyjnych. Wilgotność ateriału budowlanego zależy od jego właściwości sorpcyjnych. Sorpcja jest to zjawisko związane ze zdolnością ateriału do pochłaniania pary wodnej z powietrza przy czy adsorpcja to pochłanianie powierzchniowe pary wodnej, a absorpcja to wnikanie jej w głąb. Wielkości te zależą od struktury ateriału oraz teperatury i wilgotności powietrza. Zawilgocenie ateriałów budowlanych i ceraicznych jest cechą niekorzystną ponieważ pogarsza ich właściwości fizyczne i echaniczne oraz sprzyja rozwojowi drobnoustrojów (obniża np. właściwości teroizolacyjne i wytrzyałość). Wilgotność ateriału w stanie powietrzno-suchy to stan równowagi jaki ustala się w dłuższy okresie czasu w warunkach noralnej eksploatacji (np. beton koórkowy 4 do 8%, kerazytobeton 6%, silikat 3 %, beton 2%, ceraika 1%) 5
Ćwiczenie 2 Wilgotność i nasiąkliwość Największa nasiąkliwością odznaczają się skały silnie porowate o bardzo drobnych porach. Występuje wtedy zjawisko włoskowatości powodujące przenikanie wody do wnętrza. Nasiąkliwość asową ożna przeprowadzić jako: Oznaczenie nasiąkliwości zwykłej: tj. badanie wykonywane pod ciśnienie atosferyczny w teperaturze pokojowej, Oznaczenie nasiąkliwości po gotowaniu: nasiąkliwość wodą badana pod ciśnienie atosferyczny na próbkach poddanych gotowaniu, Oznaczenie nasiąkliwości przy obniżony ciśnieniu (przy użyciu popy próżniowej). Ze względu na nasiąkliwość asową rozróżnia się skały: bardzo nasiąkliwe nasiąkliwość ponad 20%, średnio nasiąkliwe o nasiąkliwości 5 20%, ało nasiąkliwe o nasiąkliwości 0,5 5 %, bardzo ało nasiąkliwe o nasiąkliwości poniżej 0,5%. 6
Ćwiczenie 2 Wpływ wilgotności na ateriały porowate: Zwiększenie ciężaru, Pogorszenie paraetrów wytrzyałościowych, Zwiększenie podatności na korozję, grzyby i pleśnie, Obniżenie właściwości izolacyjnych (elektrycznych i cieplnych) 7
Ćwiczenie 3 Gęstość objętościowa, właściwa i porowatość Gęstość jako podstawowy paraetr ateriałów wyrażony jest jako stosunek asy ateriału do jego objętości w określonych warunkach teperatury i ciśnienia. Materiały ceraiczne w ogólności aja niższe gęstości niż ateriały etaliczne, chociaż jest kilka wyjątków, np. glin czy tytan i ich stopy. Większość stosowanych ateriałów ceraicznych, w ty ateriały naturalne w postaci skał posiada gęstość w przedziale 2 do 6 g/c 3. Dla dokładnego opisu gęstości ateriału wprowadzono następujące pojęcia: Gęstość teoretyczna (gęstość rentgenograficzna) jest to gęstość wyliczona w oparciu o znajoość wyiarów koórki eleentarnej wyznaczonej etodą dyfraktacji rentgenowskiej oraz w oparciu o znajoość ilości i rodzaju atoów tworzących koórkę eleentarną Gęstość (gęstość właściwa) jest to stosunek asy ateriału do jego objętości bez porów Gęstość objętościowa (gęstość pozorna) stosunek asy próbki do całkowitej jej objętości, łącznie z porai 8
Porównanie gęstości i gęstości objętościowej wybranych ateriałów Nazwa ateriału Beton zwykły Ceent Ceraika czerwona Drewno Piasek Soła Szkło Stal budowlana Pianizol Styropian Gęstość [g/c 3 ] 2,8 3,05 3,15 2,7 1,55 2,72 1,15 2,65 7,85 1,40 1,10 Gęstość objętościowa [g/c 3 ] 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 9
Ćwiczenie 3 Gęstość objętościowa, właściwa i porowatość Obecność w ateriałach porów w istotny sposób wpływa na właściwości fizykocheiczne, a w konsekwencji na właściwości użytkowe. Stopień, w jaki dana właściwość ulegnie zianie, uzależniony jest od ilości, roziarów, kształtu i sposobu rozieszczenia porów w tworzywie. Zawartość porów w ateriałach ceraicznych zawiera się w szeroki przedziale od 0 do 90%, a ich roziary od nanoetrów do ilietrów. Zależność poiędzy porowatością a innyi właściwościai ateriałów ają zwykle charakter epiryczny i odnoszą się ściśle do tworzyw o taki say sposobie wytwarzania. Porowatość jest charakterystyczną cechą polikrystalicznych ateriałów ceraicznych, wynikających ze sposobów ich wytwarzania (spiekanie, hydratacja, natrysk plazowy, itp.) 10
Ćwiczenie 3 Gęstość objętościowa, właściwa i porowatość Występujące pory dzielą się na otwarte (połączone) i zaknięte. Pory otwarte łączą się ze sobą i występujące forie szczelin lub kanalików (rys b, d). Pory zaknięte są to pory otoczone ze wszystkich stron substancją, tworząca pustki w ateriale (rys. a, c). Ze względu na wielkość pory ożna podzielić na: Ultrapory lub ikropory o średnicy do 100Å (do 10-5 ), Pory przejściowe o średnicy 100 1000Å (10-5 do 10-4 ), Makropory o średnicy powyżej 10-4. Typy porowatości : a) otwarta iędzyziarnowa, b) otwarta rozgałęziona, c) zaknięta wewnątrzziarnowa, c) szczelinowata (Żródło:T. Majcherczyk: Zarys fizyki skał i gruntów budowlanych. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podzienej. Seria z Lapką Górniczą, Kraków 2000. ) 11
Ćwiczenie 3 Gęstość objętościowa, właściwa i porowatość Ultrapory lub ikropory są rozpoznawane etodai analizy rentgenowskiej i tworzą one obszar sorpcyjny. Pory przejściowe rozpoznawane są etodai poroetrycznyi oraz przy użyciu ikroskopu elektronowego i tworzą one obszar kapilarnej kondensacji i dyfuzji gazu. Makropory dzielą się na subakropory o średnicy 10-4 do 10-3, akropory właściwe o średnicy 10-3 do 10-1 oraz widoczne nieuzbrojony okie pory i szczeliny o wyiarach od 10-1 i wyżej. Najczęściej stosowane etody poiaru porowatości Źródło: Laboratoriu z nauki o ateriałach. Skrypt AGH pod redakcją J. Lisa. SU 1566. AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2000. 12
Ćwiczenie 3 Gęstość objętościowa, właściwa i porowatość Kształt porów oże być różny i zależy od sposobu powstawania. Mogą ieć kształt pęcherzyków (jak po gazach wulkanicznych lub w procesach wytopu etalu z rudy), nieprawidłowych próżni (poprzez niewypełnienie przestrzeni ateriałe krystalizujący lub przez ułożenie ziaren i okruchów), równoiernych i nierównoiernych kanalików o kształcie rozgałęziony, siatkowy itp. Na charakter porowatości wpływa nie tylko ilość porów, ale również ich kształt. Materiały o alej ilości większych porów ogą ieć tę saą porowatość co ateriały o dużej ilości niejszych porów, ale różnic się będą iędzy sobą właściwościai. 13
Gęstość teoretyczna Gęstość wyliczana w oparciu o znajoość wyiarów koórki eleentarnej wyznaczanych etodą dyfrakcji rentgenowskiej oraz w oparciu o znajoość ilości i rodzaju atoów tworzących koórkę eleentarną. nm V N k A A n liczba atoów przypadających na koórkę eleentarną, M A asa atoowa V k objętość koórki N A Liczba Avogadra (6,023 10 23 ol -1 ) 14
Struktura ateriałów etalicznych Prawie wszystkie pierwiastki etaliczne tworzą kryształy należące do jednej z 3 sieci: RSC regularna ściennie centrowana (charakteryzuje się zwarty ułożenie atoów w przestrzeni, w tej sieci krystalizują etale o najwyraźniejszych cechach etalicznych: srebro, złoto, platyna, aluiniu, iedź, nikiel, ołów, żelazo, kobalt ) RPC regularna przestrzennie centrowana (strukturę tę posiadają np. wanad, olibden, wolfra, niob, żelazo, chro, tytan ) HZ heksagonalnej zwartej (beryl, agnez, cynk, kad)
A1 - regularna powierzchniowo centrowana - np. Cu A2 - regularna przestrzennie centrowana np. W A3 - heksagonalna ciasno upakowana np. Mg http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/ http://etalurgia.bblog.pl 16
Struktura ateriałów ceraicznych Ceraiki ają zróżnicowana budowę. Wśród nich znajdują się ciała o budowie krystalicznej, ciała bezpostaciowe oraz szkła o ułożeniu atoów typowy dla cieczy. Sieć przestrzenna ceraik o budowie krystalicznej jest bardziej złożona niż etali. W ateriałach ceraicznych występują wiązania od czysto jonowych do czystko kowalencyjnych. [Dobrzański]
Gęstość teoretyczna przykład obliczeniowy Obliczyć gęstość teoretyczną żelaza α wiedząc, że asa atoowa żelaza wynosi 55,847 g ol -1 a proień atou 124 p. Żelazo α a strukturę RPC ina koórkę eleentarną przypadają 2 atoy. Paraetr koórki a a 4R 4124 286,410 3 3 12 1 2(55,847gol ) 6 3 12 3 23 1 286,4 10 6,02310 ol 7,8910 g 7,89Mg / 3 Zierzona wartość gęstości żelaza wynosi 7,87 Mg/ 3 18
19
Gęstość objętościowa etody poiaru Na próbkach forenych - etoda bezpośrednia [ kg/ V 3 ] 20
Na próbkach nieforenych etoda hydrostatyczna etoda hydrostatyczna opiera się na Prawie Archiedesa na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu hydrostatycznego skierowana przeciwnie do ciężaru ciała, równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało. [kg/ 3 ] d rh s h h asa próbki w wodzie 21
Gęstość (właściwa) e r [kg/ 3 ] Vs e - asa suchego ateriału, g, kg, V s objętość absolutna (bez porów) ateriału, c 3, 3. Metody oznaczania: -Metoda piknoetryczna -Metoda obiętościoierza LeChateliera 22
Metoda piknoetryczna r 2 e e 1 rh [kg/ 3 ] e asa próbki sproszkowanej (<0,063) i wysuszonej do stałej asy 1 asa piknoetru wypełnionego wodą i sproszkowaną próbką 2 asa piknoetru wypełnionego wodą ρ rh gęstość cieczy 23
Metoda obiętościoierza LeChateliera r e rh [kg/ 3 ] Vs V s wartość objętości odczytana na skali objętościoierza, c 3 Teperatura [ O C] Gęstość wody [kg/ 3 ] 0 999,84 4 999,97 10 999,70 15 999,10 20 998,20 25 997,04 30 995,64 100 958,35 24
Gęstość nasypowa Iloraz niezagęszczonej asy suchego ateriału określonej frakcji (np. kruszywo, ceent, ateriały proszkowe) wypełniającego określony pojenik do objętości tego pojenika. N Vc [ kg / 3 ] 25
Porowatość otwarta wyrażona jest jako procentowy stosunek poiędzy objętością otwartych porów i objętością próbki do badania p o s s Porowatość d h 100% Porowatość całkowita jest to procentowy stosunek objętości porów (otwartych i zakniętych) go objętości próbki. 1 b pc 100% r p c =100%-s [%] s b r 100% Szczelność - wyznacza się jako stosunek gęstości objętościowej do gęstości. Określa zawartość substancji w jednostce objętości. 26