Každý materiál má objem a má určitou hmotnost.
Hmota je souhrn hmotných částic (molekul, atomů, iontů) obsažených v daném tělese nebo látce. Tělesná hmota zaujímá část prostoru, tedy má určitý objem; je pro danou látku konstantní a nezávisí na gravitačním zrychlení, na rychlosti jejího pohybu a poloze v prostoru.
Různá tělesa o stejném objemu mají nestejnou hmotnost, to znamená, že mají různou hustotu.
Nejdůležitějšími parametry fyzikálního stavu materiálů jsou hustota a poréznost a u dispergovaných, například práškových materiálů, specifický povrch, tj. povrch na jednotku objemu nebo hmotnosti materiálu.
Hustota je charakterizována poměrem hmotnosti materiálu k jeho objemu, délce a ploše.
Hustota.
Skutečná hustota p je hmotnost jednotky objemu homogenního materiálu v absolutně hustém stavu, to znamená bez zohlednění pórů a dutin. Je určena poměrem hmotnosti (kg) materiálu k jeho objemu (m3) v absolutně hustém stavu: p = t/Va (kg/m3).
Skutečná hustota každé látky je trvalou fyzikální charakteristikou, kterou nelze změnit, aniž by se změnilo její chemické složení nebo molekulární struktura.
Kovy, kapaliny, sklo a polymery mají hustoty blízké teoretické.
Hustota pevných a kapalných materiálů se porovnává s hustotou vody. Nejvyšší hustota vody při teplotě 4 °C je 1 g/cm3, protože hmotnost 1 cm3 vody se rovná 1 g.
Skutečná hustota látky v podstatě závisí na jejím chemickém složení. Pro anorganické materiály (přírodní a umělé kameny), sestávající převážně z oxidů křemíku, hliníku a vápníku, je tedy skutečná hustota do 2,4. 3,1 g/cm3;
pro organické materiály sestávající převážně z uhlíku, kyslíku a vodíku je to 0,8. 1,4 g/cm3, pro dřevo – 1,55 g/cm3.
Skutečná hustota kovů je velmi odlišná (g/cm3): hliník – 2,7, ocel – 7,85, olovo – 11,3.
Průměrná hustota je hmotnost na jednotku objemu materiálu v jeho přirozeném stavu, tj. s póry a dutinami. Je určena poměrem hmotnosti t (kg) materiálu k jeho objemu V (m3) v přirozeném stavu: p = t/U (kg/m3).
Průměrná hustota (dále to budeme nazývat jednoduše hustota) je důležitou fyzikální vlastností materiálu, která se mění v závislosti na jeho struktuře a vlhkosti.
Změnou konstrukce je tedy možné získat těžký beton s objemovou hmotností 2400 kg/m3 a zejména lehký beton s objemovou hmotností nižší než 500 kg/m3.
Průměrná hustota má významný vliv na mechanickou pevnost, nasákavost, tepelnou vodivost a další vlastnosti materiálů. U hustých materiálů jsou číselné hodnoty skutečné a průměrné hustoty stejné, u ostatních materiálů je průměrná hustota menší než skutečná.
Hustota stavebních materiálů se pohybuje ve velmi širokém rozmezí: od 15 (porézní plast) do 7850 kg/m3 (ocel).
U sypkých materiálů se stanovuje objemová hmotnost.
Sypná hustota p – hmotnost na jednotku objemu volně sypaných zrnitých materiálů (písek, cement, štěrk, drť): p = t/U.
Například skutečná hustota žuly je 2700 kg/m3, její průměrná hustota je 2670 kg/m3 a objemová hmotnost drcené žuly je 1300 kg/m3.
Pórovitost — stupeň vyplnění objemu materiálu póry.
Většina materiálů obsahuje póry – malé buňky naplněné vzduchem nebo vodou. Pórovitost se vypočítá pomocí vzorce (%): P = [(p-rt)/p] • 100 a je vyjádřena jako zlomek objemu materiálu, brán jako 1, nebo jako procento objemu.
Pórovitost stavebních materiálů se velmi liší: od 0 (ocel, sklo) do 98 % (mipora).
Rozlišuje se otevřená a uzavřená pórovitost. Změnou poměru objemů otevřených a uzavřených pórů a jejich velikostí materiálová technologie dosahuje výroby materiálů se stanovenými vlastnostmi. Například snížením pórovitosti se dosáhne zvýšení pevnosti materiálů.
Při výrobě tepelně izolačních materiálů se snaží o zvýšení pórovitosti a vytvoření jemně porézní struktury. Pokud se zvýší podíl uzavřených pórů na celkovém objemu, příznivě se to projeví na mrazuvzdornosti materiálů. Pro zlepšení zvukově pohltivých vlastností se snaží vytvořit v materiálu systém rozvětvených a komunikujících pórů. Na pórovitosti materiálů tedy závisí jejich průměrná hustota, pevnost, nasycení vodou, tepelná vodivost, mrazuvzdornost, zvuková pohltivost a další vlastnosti.
Sypké a sypké materiály (písek, mletá křída, pigmenty, cement, struska) mají kromě pórů dutiny – vzduchové dutiny mezi jednotlivými částicemi materiálu.
Během přepravy, skladování a v konstrukcích mohou být materiály vystaveny vodě. Mokré materiály jsou méně odolné, těžší a tepelně vodivější než suché materiály.
Cement, sádrová pojiva, pigmenty, lepidla a další materiály se vzdušnou vlhkostí zhoršují a vlhké dřevo snadno hnije.
Fyzikální vlastnosti jsou určeny parametry fyzikálního stavu materiálů pod vlivem vnějšího prostředí a jejich provozních podmínek (působení vody, vysoké a nízké teploty apod.).
Skutečná hustota je hodnota určená poměrem hmotnosti homogenního materiálu t (kg) k objemu, který zaujímá v absolutně hustém stavu, tj. bez pórů a dutin.
Rozměr skutečné hustoty je kg/m3 nebo g/cm3. Skutečná hustota každého materiálu je konstantní fyzikální charakteristika, kterou nelze změnit bez změny jeho chemického složení nebo molekulární struktury.
Skutečná hustota anorganických materiálů, přírodních a umělých kamenů, skládajících se převážně z oxidů křemíku, hliníku a vápníku, je tedy 2400 kg/m3100, organických materiálů, skládajících se převážně z uhlíku, kyslíku a vodíku – 3, dřeva sestávajícího převážně z celulózy , – 800 kg/m1400. Skutečná hustota kovů se pohybuje v širokém rozmezí: hliník – 1550 kg/m3, ocel – 2700, olovo – 3 kg/m7850.
Ve stavebních konstrukcích je materiál ve svém přirozeném stavu, to znamená, že objem, který zaujímá, nutně zahrnuje póry. V tomto případě se pro charakterizaci fyzikálního stavu materiálu používá pojem průměrné hustoty.
Průměrná hustota je hodnota určená poměrem hmotnosti homogenního materiálu t (kg) k objemu, který zaujímá v přirozeném stavu Fe (m3)
Průměrná hustota je důležitou fyzikální vlastností materiálu, která se mění v závislosti na jeho struktuře a vlhkosti v širokém rozmezí: od 5 (porézní plast) do 7850 kg/m3 (ocel). Průměrná hustota má významný vliv na mechanickou pevnost, nasákavost, tepelnou vodivost a další vlastnosti materiálů.
Pórovitost je míra, do jaké je objem materiálu vyplněn póry. Pórovitost je relativní hodnota vyjádřená jako procento nebo zlomek objemu materiálu.
Pórovitost stavebních materiálů se pohybuje od 0 (ocel, sklo) do 90 % (pěnový plast)
Pórovitost materiálu je charakterizována nejen z kvantitativní stránky, ale také povahou pórů: uzavřené a otevřené, malé (velikost setin a tisícin milimetru) a velké (od desetin milimetru do 2 mm) . Povaha pórů hodnotí schopnost materiálu absorbovat vodu. Polystyrénová pěna, jejíž pórovitost dosahuje 5 %, má tedy uzavřené póry a prakticky neabsorbuje vodu. Současně keramická cihla, která má pórovitost třikrát menší (tj. asi 95 %), díky otevřené povaze pórů (většina pórů jsou spojené kapiláry), aktivně absorbuje vodu.
Hodnota pevnosti závisí také na velikosti pórů. Zvyšuje se s jejich poklesem. Pevnost jemně porézních materiálů, stejně jako materiálů s uzavřenou pórovitostí, je vyšší než pevnost velkoporézních a otevřených porézních materiálů.
U sypkých materiálů (cement, písek, štěrk, drť) se počítá objemová hmotnost.
Objemová hmotnost je hodnota určená poměrem hmotnosti materiálu t (Kr) K k objemu, který zaujímá ve volném stavu VH (m)
Hodnota Va zahrnuje objem všech částic sypkého materiálu a objem mezer mezi částicemi, tzv. voids. Pokud je pro zrnitý materiál známa objemová hustota pH a průměrná hustota zrna PC, lze vypočítat jeho prázdnotu a – relativní charakteristiku vyjádřenou ve zlomcích jednotky nebo v procentech.
Z hlediska fyzikálního významu jsou pojmy pórovitost a prázdnota podobné. Při výrobě betonu mají tendenci používat volné kamenivo – písek, drcený kámen nebo štěrk s minimálními dutinami. V tomto případě bude k vyplnění dutin potřeba méně cementu a beton bude levnější.
Velmi často jsou během provozu stavební materiály a konstrukce vystaveny vodě a vlastnosti materiálů se mění. V tomto případě nám následující pojmy umožňují kvantifikovat vlastnosti materiálu.
Absorpce vody materiály se v závislosti na povaze pórovitosti může měnit v širokých mezích. Hodnoty WM pro žulu jsou 0,02. 0,7%, těžký beton – 2, cihla 4, lehké tepelně izolační materiály s otevřenou pórovitostí – 8% nebo více. Objemová absorpce vody WQ nepřesahuje poréznost, protože objem vody absorbovaný materiálem nemůže být větší než objem pórů.
Hodnoty W0 a WM charakterizují limitní případ, kdy materiál již není schopen absorbovat vlhkost. V reálných konstrukcích může materiál obsahovat určité množství vlhkosti získané krátkodobým navlhčením kapalnou vodou nebo v důsledku kondenzace vodní páry ze vzduchu v pórech. V tomto případě je stav materiálu charakterizován vlhkostí.
Vlhkost je poměr hmotnosti vody aktuálně přítomné v TV materiálu k hmotnosti (méně často objemu) materiálu v suchém stavu.
Vlhkost se může měnit od nuly, když je materiál suchý, až po hodnotu WM odpovídající maximálnímu obsahu vody. Zvlhčování vede ke změnám mnoha vlastností materiálu: zvyšuje se hmota stavební konstrukce, zvyšuje se tepelná vodivost; vlivem klínového účinku vody klesá pevnost materiálu.
U mnoha stavebních materiálů je vlhkost standardizována. Takže vlhkost mleté křídy je 2%, materiály stěn -5. 7, vzduchem sušené dřevo – 12%.
Voděodolnost je schopnost materiálu zachovat si pevnost při nasycení vodou. Kritériem voděodolnosti stavebních materiálů je koeficient měknutí – poměr pevnosti v tlaku materiálu nasyceného vodou, RB, k pevnosti v tlaku suchého materiálu.
Materiály s koeficientem měknutí větším než 0,75 se nazývají voděodolné.
Voděodolnost je schopnost materiálu odolávat pronikání vody pod tlakem. Tato vlastnost je důležitá zejména u betonu, který odolá tlaku vody (potrubí, nádrže, přehrady). Voděodolnost betonu se hodnotí stupněm W (W-2. W-8), udávajícím maximální jednostranný hydrostatický tlak, při kterém standardní vzorek nepropustí vodu. U hydroizolačních materiálů je voděodolnost charakterizována dobou, po které voda pod určitým tlakem prosakuje vzorkem materiálu (tmel, hydroizolace).
Hygroskopicita je vlastnost kapilárně porézního materiálu absorbovat vlhkost ze vzduchu. S rostoucí relativní vlhkostí vzduchu a klesající teplotou se zvyšuje hygroskopicita.
Hygroskopicita negativně ovlivňuje vlastnosti stavebních materiálů. Při skladování pod vlivem vzdušné vlhkosti tedy cement hydratuje a drolí se a jeho kvalita se snižuje. Dřevo je velmi hygroskopické, vlhkost způsobuje jeho bobtnání, deformaci a praskání.
Za charakteristiku hygroskopičnosti se považuje poměr hmotnosti absorbované vlhkosti při relativní vlhkosti vzduchu 100 % a teplotě +20 °C k hmotnosti suchého materiálu.
Mrazuvzdornost je vlastnost materiálu ve stavu nasyceném vodou vydržet více cyklů střídavého zmrazování a rozmrazování bez viditelných známek destrukce a výrazného poklesu pevnosti a hmotnosti. Mrazuvzdornost je jednou z hlavních vlastností charakterizujících trvanlivost stavebních materiálů v konstrukcích a konstrukcích. Jak je známo, voda nacházející se v pórech materiálu při přeměně na led zvětšuje objem přibližně o 9 % a způsobuje tahová napětí. Rytmicky se střídající krystalizace ledu v pórech s následným rozmrazováním vede k dalším vnitřním pnutím. Mohou se objevit mikro- a makrotrhliny s možnou destrukcí struktury a snížením pevnosti.
Pro testování mrazuvzdornosti se standardní vzorky materiálů nebo celé kusové výrobky (například cihla) nejprve nasytí vodou a poté se zmrazí na teplotu -15 °C. Vzorky se poté vyjmou z mrazáku a rozmrazí ve vodě při pokojové teplotě. Toto zmrazování a rozmrazování tvoří jeden cyklus. Stupeň mrazuvzdornosti (F20, F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200 pro kamenné materiály) je charakterizován počtem cyklů zmrazování a rozmrazování, které materiál vydržel, s přijatelným snížením pevnosti popř. snížení hmotnosti vzorků.
Husté materiály, které mají nízkou poréznost a uzavřené póry, mají vysokou mrazuvzdornost. Porézní materiály s otevřenými póry a odpovídající vysokou nasákavostí se často ukazují jako mrazuvzdorné.
Při vystavení statickým nebo cyklickým tepelným faktorům se materiál vyznačuje termofyzikálními vlastnostmi. Jsou důležité pro tepelně izolační a žáruvzdorné materiály, materiály obvodového pláště budov a výrobky, které při tepelném zpracování tvrdnou. Patří mezi ně tepelná kapacita, tepelná vodivost, tepelná roztažnost, požární odolnost a požární odolnost.
Tepelná kapacita je vlastnost materiálu absorbovat při zahřátí a uvolnit určité množství tepla při ochlazení. Tepelná kapacita je mírou energie potřebné ke zvýšení teploty materiálu.
Tepelná kapacita na jednotku hmotnosti se nazývá měrná tepelná kapacita C a měří se v J/(kg °C). Měrná tepelná kapacita je množství tepla potřebné k ohřátí 1 kg materiálu o 1 °C. Organické materiály mají obvykle vyšší tepelnou kapacitu než materiály anorganické, J/(kg °C): dřevo – 2,38. 2,72; ocel – 0,46; voda – 4,187. Voda má největší tepelnou kapacitu, takže s rostoucí vlhkostí materiálů se zvyšuje jejich tepelná kapacita. Číselné charakteristiky tepelné kapacity se používají při výpočtu tepelné stability obvodových konstrukcí. Kromě toho je třeba znát hodnoty C pro výpočet nákladů na palivo a energii na vytápění materiálů a konstrukcí během zimních prací.
Tepelná vodivost je vlastnost materiálu propouštět svou tloušťkou tepelný tok, který vzniká v důsledku rozdílu teplot na protilehlých plochách.Tato vlastnost je důležitá pro stavební materiály používané při stavbě obvodových konstrukcí (stěny, obklady a stropy) a materiály určené pro tepelnou izolaci. Tepelná vodivost materiálu závisí na jeho struktuře, chemickém složení, pórovitosti a povaze pórů, jakož i na vlhkosti a teplotě, při které dochází k přenosu tepla.
Tepelná vodivost je charakterizována součinitelem tepelné vodivosti, udává, jaké množství tepla v J může materiál projít 1 m2 povrchu při tloušťce materiálu 1 m a teplotním rozdílu na protilehlých površích 1 ° C po dobu 1 hodiny Součinitel tepelné vodivosti , W / (m * ° C), rovná se: pro vzduch – 0,023; pro vodu – 0,59; pro led – 2,3; pro keramické cihly – 0,82. Vzduchové póry v materiálu prudce snižují jeho tepelnou vodivost a zvlhčování vodou ji výrazně zvyšuje, protože koeficient tepelné vodivosti vody je 25krát vyšší než u vzduchu.
S rostoucí teplotou se zvyšuje tepelná vodivost většiny stavebních materiálů, což se vysvětluje zvýšením kinetické energie molekul, které tvoří látku materiálu
Tepelná roztažnost je vlastnost materiálu měnit rozměry při zahřátí a ochlazení. Pro číselnou charakteristiku tohoto jevu se používá teplotní koeficient lineární roztažnosti (TCLE), který ukazuje, o jaký zlomek původní délky se materiál roztáhne při zvýšení teploty o 1 °C.
Hodnoty LTEC jsou, °C~1: pro beton (10. 12) – 10 6, ocel 10 10 ~ 6, dřevo podél vláken – (3. 5) 10 6. LTEC polymerních stavebních materiálů je 10. 20krát větší.
V důsledku tepelných a smršťovacích deformací se u dlouhodobých konstrukcí mohou tvořit deformace, praskliny nebo praskliny, které jsou za provozních podmínek nepřijatelné. Aby k tomu nedocházelo, jsou instalovány teplotně smršťovací (deformační) spoje, které jakoby řežou konstrukci. Vzdálenost mezi švy je určena s ohledem na tepelnou roztažnost materiálů.
Požární odolnost je vlastnost materiálu odolávat účinkům vysokých teplot, plamenů a vody v podmínkách požáru bez poškození. Za takových podmínek materiál buď shoří, nebo praskne, silně se zdeformuje a zhroutí se v důsledku ztráty pevnosti. Na základě požární odolnosti jsou materiály klasifikovány jako nehořlavé, nehořlavé a hořlavé.
Ohnivzdorné materiály za vysokých teplot nepodléhají vznícení, doutnání ani zuhelnatění.Jedná se o cihly, beton atd. Některé ohnivzdorné materiály – mramor, sklo, azbestocement – se však při náhlém zahřátí ničí a ocelové konstrukce se značně deformují a ztrácejí síla.
Žáruvzdorné materiály se při působení ohně nebo vysoké teploty vznítí pomalu, ale po odstranění zdroje požáru jejich doutnání nebo hoření ustane. Mezi takové materiály patří dřevovláknité desky, asfaltový beton a dřevo impregnované retardéry hoření.
Hořlavé materiály, když jsou vystaveny ohni nebo hoří vysokou teplotou, pokračují v hoření i po odstranění zdroje požáru. Jedná se o dřevo, tapety, bitumenové střešní krytiny a polymerní materiály atd.
Limit požární odolnosti je časový úsek (minuty nebo hodiny) od vzniku požáru do vzniku mezního stavu v konstrukci. Za mezní stav se považuje ztráta únosnosti, tedy zřícení konstrukce; vzhled průchozích trhlin v něm, kterými mohou produkty spalování a plameny proniknout na opačný povrch; nepřijatelné zahřívání povrchu opačného k působení ohně, které může způsobit samovznícení ostatních částí konstrukce.
Požární odolnost je schopnost materiálu odolávat dlouhodobému vystavení vysokým teplotám (od 1580 °C a výše) bez deformace nebo změknutí. Žáruvzdorné materiály (dinas, šamot, chrommagnezit, korund) používané pro vnitřní vyzdívku průmyslových pecí se nedeformují ani nezměknou při teplotách 1580 °C a vyšších. Žáruvzdorné materiály (žáruvzdorné kamenné cihly) odolávají teplotám 1350..J580 °C bez natavení nebo deformace, nízkotavitelné materiály (keramické stavební cihly) – až 1350 °C.
Akustické vlastnosti materiálů jsou vlastnosti spojené s interakcí materiálu a zvuku. Zvuk neboli zvukové vlny jsou mechanické vibrace šířící se v pevném, kapalném a plynném prostředí. Stavebníka zajímají dva aspekty interakce zvuku a materiálu: do jaké míry materiál vede zvuk svou tloušťkou – vodivost zvuku a do jaké míry materiál pohlcuje a odráží zvuk na něj dopadající – pohlcování zvuku.
Když zvuková vlna dopadá na obklopující povrch, zvuková energie se odráží, absorbuje a vede pevným tělesem.
Koeficient zvukové pohltivosti závisí na řadě faktorů: na úrovni a vlastnostech zvuku (hluk), vlastnostech pohlcujícího materiálu, způsobu jeho umístění ve vztahu k tvrdému povrchu (strop, stěna) a metodách měření.
Absorpce zvuku závisí na povaze povrchu a poréznosti materiálu. Materiály s hladkým povrchem odrážejí většinu zvuku, který na ně dopadá, takže v místnosti s hladkými stěnami zvuk, který se od nich opakovaně odráží, vytváří stálý hluk. Pokud má povrch materiálu otevřenou pórovitost, pak zvukové vibrace vstupující do pórů jsou absorbovány materiálem a neodrážejí se.
Podstata fyzikálního jevu, ke kterému dochází, když je zvuk tlumen porézním tělesem, je následující. Zvukové vlny, dopadající na povrch takového materiálu a pronikající dále do jeho pórů, vybudí vibrace vzduchu umístěné v úzkých pórech. V tomto případě se spotřebovává značná část zvukové energie. Vysoký stupeň stlačení vzduchu a jeho tření o stěny pórů způsobují zahřívání. Díky tomu se kinetická energie zvukových vibrací přeměňuje na teplo, které se rozptýlí v médiu.
Tlumení zvuku je usnadněno deformací pružného skeletu materiálu pohlcujícího zvuk, což také plýtvá zvukovou energií; tento příspěvek je patrný zejména u porézně-vláknitých materiálů s otevřenou propojenou pórovitostí s celkovým objemem minimálně 75 %.
Zvuková vodivost závisí na hmotnosti materiálu a jeho struktuře. Čím méně materiál vede zvuk, tím větší je jeho hmotnost: pokud je hmotnost materiálu velká, pak energie zvukových vln nestačí k tomu, aby jím prošla, protože k tomu je nutné materiál rozvibrovat.
Propůjčení zvukotěsných vlastností plotu je založeno na třech hlavních fyzikálních jevech: odraz vzduchem šířených zvukových vln od povrchu plotu, pohlcování zvukových vln materiálem plotu, tlumení nárazového nebo vzduchem přenášeného hluku v důsledku deformace konstrukčních prvků a materiály, ze kterých je vyroben.
Schopnost odrážet zvukové vlny je důležitá pro exteriéry budov. V tomto případě se pro zvýšení odrazu vzdušných zvukových vln používají masivní konstrukce s hladkým vnějším povrchem.
Pro vnitřní prostory je vysoká odrazivost plotu (příček) nedostatečná, protože odražené zvukové vlny zvýší hluk v nejhlučnější místnosti. V tomto případě se používají vícevrstvé konstrukce, které zahrnují prvky ze zvukotěsných materiálů, jejichž účinnost se posuzuje dynamickým modulem pružnosti. Jako zvukotěsná těsnění se používají porézní vláknité materiály z minerální nebo skelné vlny, dřevitá vlákna (vláknité desky), zásyp z porézních zrn (keramzit, struska atd.).
