VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ. Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc. Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc. STAVEBNÍ LÁTKY MODUL BI01-M01

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ

Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc. Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc.

STAVEBNÍ LÁTKY MODUL BI01-M01

Struktura a vlastnosti stavebních látek

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

StUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN

Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor. © Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc. Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc.

- (47) -

Obsah

OBSAH ÒYRG

1.1

Cíle ......................................................................................................5

1.2

Požadované znalosti ............................................................................5

1.3

Doba potřebná ke studiu......................................................................5

1.4

Klíčová slova.......................................................................................5

6WUXNWXUDVWDYHEQtFKOiWHN 2.1

Rozdělení pevných látek podle struktury ............................................7

2.2

Krystalické látky .................................................................................8

2.3

Amorfní látky ......................................................................................9

2.4

Koloidní látky......................................................................................9

2.5

Pevné směsi .........................................................................................9

2.6

Vyztužené látky.................................................................................10

2.7

Vícefázové látky................................................................................10

2.7.1

Pórovité látky ............................................................................10

2.7.2

Sypké látky................................................................................11

2.7.3

Vícefázové látky s nosnou výplní pórů .....................................11

)\]LNiOQtYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN 3.1

Vlastnosti tvarové a rozměrové.........................................................13

3.2

Vlastnosti hmotnostní........................................................................13

3.3

Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům ..............................................15

0HFKDQLFNpYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN 4.1

Síla, tíha, napětí.................................................................................17

4.2

Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálu .....................................18

4.3

Pevnost stavebních hmot...................................................................22

4.4

Tvrdost materiálu ..............................................................................27

4.5

Reologické vlastnosti ........................................................................28

4.6

Tepelné vlastnosti..............................................................................29

4.7

Tepelně technické vlastnosti .............................................................31

4.8

Ostatní vybrané vlastnosti stavebnin.................................................32

4.8.1

Akustické vlastnosti ..................................................................32

4.8.2

Optické a světelnětechnické vlastnosti......................................32

4.8.3

Elektrické a magnetické vlastnosti............................................32

4.8.4

Chemické vlastnosti ..................................................................32

- 3 (47) -

6WUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN

4.8.5

Biologické vlastnosti ................................................................ 33

4.8.6 Technologické, vlastnosti 33 4.9

bezpečnostní,

hygienické

a

fyziologické

Přehled nejdůležitějších vlastností stavebních materiálů ................. 33

7UYDQOLYRVWDRGROQRVWPDWHULiOĤ 5.1

Koroze kovů ..................................................................................... 36

5.2

Koroze betonu................................................................................... 38

5.3

Koroze polymerů .............................................................................. 41

5.4

Odolnost a životnost ostatních stavebních materiálů ....................... 42

5.4.1

Odolnost materiálů proti mrazu ................................................ 42

5.4.2

Odolnost proti ohni................................................................... 43

5.4.3

Odolnost proti obrusu ............................................................... 44

$XWRWHVW =iYČU

7.1

Shrnutí .............................................................................................. 45

7.2

Klíč k autotestu ................................................................................. 45

6H]QDPSRXåLWpOLWHUDWXU\

- (47) -

ÒYRG

1 Úvod

1.1

Cíle

V úvodní části učebního textu se seznámíte se základními vlastnostmi látek, s jejich strukturou a s jejich fyzikálními a mechanickými vlastnostmi. Další část textu bude zaměřena na vybrané stavební látky na jejich nejdůležitější vlastnosti. Závěr textu je věnován trvanlivosti a odolnosti stavebních materiálů.

1.2

Požadované znalosti

Pro porozumění studijního textu jsou dostatečné znalosti, získané na střední škole, z fyziky, chemie a matematiky.

1.3

Doba potřebná ke studiu

Doba studia závisí na znalostech čtenáře. Pokud čtenář zvládl v dřívějším studiu základy fyziky a chemie, stačí na studium tohoto učebního textu 6 až 8 hod. studia. Pokud čtenář tyto základy nemá, je nutno počítat s 12 až 16 hod. studia.

1.4

Klíčová slova

Krystalické látky, amorfní látky, koloidní látky, pevné směsi, vyztužené látky, objemová hmotnost, pórovitost, objemová vlhkost, síla, tíha, napětí, pracovní diagramy, tvrdost materiálu, tepelná vodivost, koroze, odolnost, životnost

- 5 (47) -


- (47) -

6WUXNWXUDVWDYHEQtFKOiWHk

2 Struktura stavebních látek

2.1

Rozdělení pevných látek podle struktury

Stavební hmoty jsou základní součástí všech stavebních konstrukcí a ve většině případů rozhodují o vlastnostech, použitelnosti, kvalitě konstrukce i celé stavby. Jako stavební materiály jsou považovány téměř výlučně pevné látky, v nichž jsou jednotlivé částice a součásti více či méně pravidelně uspořádány a zaujímají vůči sobě stejné rovnovážné polohy. Způsobem uspořádání částic je určena struktura látky. Liší se od sebe specifickými vlastnostmi, tj. takovými, které nezávisí na velikosti, množství a tvaru látky. Podle jistého, v daném oboru uplatněného měřítka lze rozeznávat : •

makrostrukturu tj. stavbu hmoty ze součástí rozlišitelných pouhým okem, nebo za použití optického mikroskopu při malém zvětšení, nebo

•

mikrostrukturu za niž se zpravidla považují částice v rozmezí µm až základní mříž vystavěná z molekul, atomů či iontů.

Podle struktury se pevné látky dělí na : •

prosté - kam patří všechny látky jednosložkové a

•

složené - vícesložkové, jejichž jednotlivé složky tvoří látky prosté.

Ani toto rozdělení není zcela jednoznačné a proto nám, z hlediska použití pevných látek jakožto stavebních materiálů, vyhovuje lépe následující systém členění : •

látky prosté o krystalické o amorfní o koloidní

•

látky složené o pevné směsi o vyztužené (kompozita, lamináty) o vícefázové.

Dále podle způsobu uspořádání struktury mohou být látky : • • • •

izotropní , struktura je ve všech směrech stejná, anizotropní, kdy je struktura ve všech směrech odlišná a látka vykazuje v různých směrech rozdílné vlastnosti. homogenní, jinak říkáme stejnorodé (sklo) a heterogenní, nestejnorodé, nehomogenní (beton, keramika ad). - 7 (47) -


2.2

Krystalické látky

Krystalické látky se navenek projevují tím, že v tuhém stavu tvoří symetrické útvary ohraničené pravidelnými plochami, které nazýváme krystaly. Jejich základní částice, tj. atomy, ionty nebo molekuly jsou v prostoru pravidelně uspořádány podle jednoduchých geometrických schémat a vytvářejí krystalickou mřížku. Strukturu krystalu můžeme jednoduše vykládat jako pravidelné opakování základních jednotek tzv. elementárních buněk, jejichž opakováním v prostoru lze vytvořit celou krystalovou mřížku. Elementární buňky jsou jednoduché prostorové útvary, jako krychle, čtyřstěny a p. a jsou v krystalu seřazeny tak, že ve všech třech směrech periodicky zachovávají rozestupy a orientaci. Z tohoto důvodu má krystal nebo jeho části ve všech místech stejné geometrické tvary jako elementární buňka. Podle tvaru elementární buňky, podle velikostí hran a úhlů (počtu prvků její souměrnosti), lze všechny krystaly rozdělit do 7 krystalografických soustav :

•

• • • • • •

trojklonná (triklinická) - albit NaAlSi3O8, jednoklonná (monoklinická) - sádrovec, ortoklas, kosočtverečná (rombická a ortorombická),anhydrit, aragonit, čtverečná (tetragonální) - rutil TiO2, šesterečná (hexagonální) - SiO2 ∝-křemen, klencová (trigonální a romboedrická), kalcit a korund, krychlová (kubická) - CaO.

Stavba krystalové mřížky je dána charakterem vazebných sil, které k sobě poutají částice pevné hmoty. Základní typy krystalických mřížek jsou mřížky iontové, atomové, molekulové a kovové. Iontová krystalická mřížka se vyskytuje u látek vytvořených z iontů - kationtů a aniontů. Nacházíme ji především u sloučenin kovů s nekovy např. NaCl, CaO, CaCl2 ap. Atomová krystalická mřížka je vybudována z atomů spojených mezi sebou kovalentními vazbami - ta vzniká společným sdílením elektronů různými atomy např. u sloučenin kovů s uhlíkem (karbidy), křemíku či dusíku (nitridy).Látky mají vysoký bod tání, vysokou tvrdost a chemickou odolnost. Molekulová krystalová mřížka je vybudována z molekul, které jsou mezi sebou vázány poměrně slabými silami van der Walsovými (jsou to mezimolekulární přitažlivé síly poutající navzájem jednotlivé molekuly). Látky mají malou pevnost, jsou měkké, plastické a mají nízký bod tání. Typickým představitelem jsou makromolekulární látky. Kovová krystalová mřížka - atomy poutány kovovou vazbou. Ta je obdobná kovalentní vazbě s tím rozdílem, že malý počet atomů kovů nestačí při vzájemném sdílení valenčních elektronů k doplnění na oktet. Mřížka je tvořena kationty vzájemně vázanými a společně sdílenými a přitom do značné míry pohyblivými valenčními elektrony. Právě toto dodává kovům jejich charakteristické vlastnosti - velkou elektrickou a tepelnou vodivost, kujnost a tažnost, kovový lesk ad.

- (47) -


2.3

Amorfní látky

Za amorfní neboli beztvaré označujeme takové látky, jejichž struktura není prostorově uspořádána do geometrické pravidelné mřížky. Proto tyto látky v přírodním stavu nevytvářejí pravidelná tělesa a nemají rovné štěpné plochy. Příkladem jsou např. skla a pryskyřice.

2.4

Koloidní látky

Koloidní chemie je věda, která pojednává jednak o dispersních soustavách, jejichž rozměry jsou co do velikosti v určitých rozměrových hranicích a jednak o hmotových systémech, které obsahují takové částice nebo struktury z nich vytvořené. Dispersní soustava je systém skládající se nejméně ze dvou druhů hmoty, z nichž jeden druh je rozptýlen v druhém ve formě více nebo méně drobných částic.Velikost dispersních částic nejčastěji vyjadřujeme jejich význačným lineárním rozměrem. Za hrubě dispersní látky považujeme takové, které jsou tvořeny částicemi od 1 mm do 10-3 mm. Koloidně dispersní jsou tvořeny částicemi jejichž nejmenší rozměry se pohybují v rozmezí 10-4 až 10-6 mm, přičemž druhý a třetí rozměr může být i větší. Právě podle těchto jednotlivých rozměrů rozdělujeme koloidní látky na : •

zrnité

•

jehlicové

•

destičkové (lamelové).

U jehlicovitých a destičkových koloidů jeden resp. dva rozměry převyšují nejmenší submikroskopický rozměr zhruba o dva řády a stavba těchto částeček je zpravidla krystalická. Mezi koloidní látkou sestávající z krystalických částeček a látkou krystalickou nelze často stanovit pevnou hranici. Koloidní látky mají vysoký měrný povrch a jejich chování je proto silně závislé na vzájemném působení mezi pevnými částečkami a plynnou nebo kapalnou fází přítomnou v dutinách a mezerách. Jako příklad lze uvést cementový tmel a jíly pro krystalické koloidy a např. latexy pro koloidy amorfní.

2.5

Pevné směsi

Pevné směsi sestávají ze dvou nebo více odlišných pevných látek vzájemně spojených vazebními silami. Jsou-li částice představovány atomy nebo molekulami rovnoměrně rozptýlenými, nazývá se tato směs homogenní.Jestliže jednotlivé látky, tvořící pevnou směs, jsou soustředěny do oblastí, jež lze mechanicky od sebe oddělit, jedná se o směs heterogenní. Pevné směsi mohou vznikat různým způsobem, např. krystalizací z roztoků ochlazením taveniny, spékáním zrnitých směsí při vyšších teplotách, přidáním pevných částic jedné látky do tuhn. látky druhé, nebo slep. pevn. částic látkou s adhezním účinkem.

- 9 (47) -


Vznikne-li pevná směs ochlazením taveniny a jde-li přitom o kovy, nazývá se taková směs slitinou. Ta může mít povahu tuhého roztoku nebo strukturu až heterogenní. Spékané směsi se také nazývají materiály slinuté, jako např. polotovar pro výrobu cementu - slínek. Velkou skupinu velmi důležitých materiálů představují pevné směsi, které se podle způsobu vzniku jejich struktury nazývají hmoty pojené. Skládají se z pojiva a plniva. Pojivo zajišťuje kohezi materiálu a plnivo vytváří základní strukturu (kostru, skelet). Vlastnosti pevných směsí jsou závislé na vlastnostech jednotlivých součástí a to jak na jejich absolutních hodnotách, tak i na jejich vzájemném poměru a způsobu jejich prostorového uspořádání.

2.6

Vyztužené látky

Vyztužené látky jsou vlastně pevné směsi, v nichž jedna součást (obvykle pevnější a houževnatější), tvoří nosný systém hmoty, přičemž druhá součást zajišťuje vnitřní soudržnost hmoty a zprostředkuje přenos vnitřních sil do elementů součásti prvé. Prvá, nosná, součást se nazývá výztuž neboli armatura, na rozdíl od plniva v předešlém případě a druhá tmelící součást se označuje opět jako pojivo. Příkladem vyztužené látky může být např. azbestocement, sklolaminát, železobeton ap. Vlastnosti vyztužených látek, obdobně jako u pevných směsí, závisí na absolutních hodnotách vlastností složek, na jejich poměru, na jejich objemovém zastoupení, na způsobu uspořádání, výskytu defektů a hlavně na vzájemné soudržnosti složek.

2.7

Vícefázové látky

Vícefázovými látkami rozumíme takové materiály, v nichž jsou zastoupeny fáze různého skupenství (na rozdíl od pevných směsí).Podle funkce, kterou má ve vícefázových látkách fáze kapalná a plynná, rozdělujeme tyto látky na : • • • 2.7.1

pórovité, sypké, vícefázové s nosnou výplní pórů. Pórovité látky

Pórovitými látkami jsou míněny materiály, v nichž pevná fáze tvoří kostru, která obsahuje dutiny - póry. Ty mohou být zaplněny plyny nebo kapalinami, zejména vodou. Ani plynná ani kapalná fáze se nepodílí na nosné funkci, ale může ovlivňovat vlastnosti materiálu nepřímo.

- (47) -


2.7.2

Sypké látky

Sypkými látkami rozumíme přírodní nebo umělý zrnitý anorganický materiál charakterizovaný průměrem a tvarem zrna. Tyto materiály nemají vnitřní soudržnost a jejich odpor proti účinkům zatížení je dán pouze tzv. vnitřním třením neboli odporem proti vzájemnému posunování jednotlivých zrn. Posunem částic dochází buď k setřásání (zhutňování) nebo ke kypření. 2.7.3

Vícefázové látky s nosnou výplní pórů

U tohoto druhu látek se kapalná fáze přítomná v pórech podílí na nosné funkci. Mezi kapalnou a pevnou fází vznikají přitažlivé mezifázové síly, tj. molekuly kapaliny či plynu jsou určitým způsobem vázány (adsorbovány) k povrchovým molekulám pevné fáze. Tyto vazby mohou být pouze fyzikální (vlivem van der Walsových sil) nebo i chemické (vazbou iontovou, kovalentní, či kovovou), a pak mluvíme o chemisorpci. Adsorpcí je znemožněn volný pohyb molekul v hraniční vrstvě obou fází.Proto má adsorbovaná kapalina poněkud jiné chování než kapalina volná ve větších dutinách. Kapalnou fázi představuje většinou voda a tu rozlišujeme na : •

fyzikálně vázanou o volnou - vyplňující větší póry a řídící se zákony hydrauliky o kapilární - tvořící výplň menších pórů a dutin (kapilár), jejíž pohyb je určován jak hydraulickými zákony, tak i mezifázovými silami o adsorbovanou - vyplňující nejmenší póry a pokrývající stěny kapilár. Tato voda, ovlivňovaná především mezifázovými silami, je k pevné fázi silně vázána a proto např. k překonání těchto sil při odpařování je potřeba větší výparné teplo.

•

chemicky vázanou - tvořící součást základní mřížky látek, např.jako voda krystalová. Její odstranění je možné je rozkladem původní látky.

Kontrolní otázky: 1. Jaké jsou typy mřížek u krystalických látek? 2. Jaká je nejznámější amorfní látka? 3. Co jsou dispersní látky?

- 11 (47) -


- (47) -

)\]LNiOQt vlastnosti stavebních látek

3 Fyzikální vlastnosti stavebních látek

3.1

Vlastnosti tvarové a rozměrové

Zahrnují kvalitativně popis tvaru, případně jeho dodržení (např. krychle, hranol s rovinnými stěnami, válcový vývrt, kruhový ocelový prut s dvěma podélnými výstupky a žebírky) a související geometrické veličiny (např. délka L, šířka b, výška h, tloušťka t nebo h, průměr d, plocha A, objem V) s přiřazenými číselnými hodnotami. Délkové vlastnosti se zajišťují měřením délkovými měřidly s danou spolehlivostí a přesností. Měřicí jednotkou je [ m ], dílčími jednotkami [ mm ], výjmečně [ cm ]. Rozměry prvků mohou být skladebné (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 ].

3.2

Vlastnosti hmotnostní

Vyjadřují tíhové (gravitační) a setrvačné vlastnosti látek, které zaujímají určitý objem prostředí - tj. hmotných objektů. Zjišťují se vážením stavebnin vyplňujících určitý objem. 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]. 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]

U dokonale hutných látek se zjistí přímým výpočtem z hmotnosti m a objemu V (např. kovový válec, hranol, krychle). U nepravidelných tvarů se objem zjistí hydrostatickou metodou (vážením na vzduchu a v kapalině známé hustoty) nebo pomocí objemoměru. U pórovitých látek je nutno zjistit objem bez dutin a pórů např. rozmělněním (rozetřením) vzorku tak dokonale, aby se otevřely všechny póry a mohlo se

- 13 (47) -


použít k stanovení objemu pyknometru. Není-li to možné, pak má hustota pouze relativní význam, což ovšem pro většinu stavebnin postačuje. •

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]

Zjišťuje se zvážením známého objemu dané látky (např. daný geometrický tvar, objem formy nebo nádoby) včetně dutin a porů. 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 l05°C, někdy v přirozeném stavu - delší dobu uložená v prostoru s relativní vlhkostí cca 65%, nebo v mokrém stavu - nasycena vodou. •

Sypná hmotnost ρs je objemovou hmotnost sypké 1átky, 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 l00 mm) a ve stavu setřeseném (za působení střásání nebo vibrování). Tato vlastnost je velmi důležitá a je jí nutno odlišit od objemové hmotnosti zrn zejména u pórovitého kameniva (zrna pórovitého kameniva, např. keramzitu, mají totiž od hustoty vlastního keramického střepu zcela odlišnou objemovou hmotnost zrn). 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

2600 kg.m-3

hustota (měrná hmotnost) střepu

S těmito hmotnostními 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 %. •

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

[ 1]

.

- (47) -

)\]LNiOQt vlastnosti stavebních látek

•

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. Někdy se stanovuje pórovitost ponořením látky do destilované vody při stanovené teplotě a t1aku, t j. vyplněním "otevřených pórů" ze vztahu p p = 100. mk / ( 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. •

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.(

3.3

ρv − ρ s ) ρv

[%]

Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům

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. 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. Patří sem zejména: •

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 - u látek, které by se rozkládaly i při nižší teplotě). Vyjadřuje se poměrem množství vody k množství suché látky (buď hmotnostně nebo objemově). Rozlišuje se tedy (v %):

•

Hmotnostní vlhkost podle vztahu : wm = 100 mk / ms = 100 (mw - ms) / ms

- 15 (47) -

[%]


•

Objemová vlhkost podle vztahu: wv = 100 Vk / V = ( mw - ms ) / (ρk . V)

[%]

Číselně se veličiny mohou značně lišit. Zatím co objemová vlhkost nemůže nikdy přesáhnout 100%, u pórovitých látek s objemovou hmotností v suchém stavu menší než 1000 kg.m-3 může v příznivém případě být hmotností vlhkost větší než 100% (např. u pórobetonu o objemové hmotnosti v suchém stavu 400 kg.m-3 majícího v okamžiku odebrání z konstrukce objemovou hmotnost 900 kg.m-3 je hmotnostní vlhkost 500/400.100 =125%). vm = 100 (900-400) kg.m3/400 kg.m-3 •

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 .

•

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.

•

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.

•

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.

•

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. ).

Kontrolní otázky: 1. Co je mezerovitost? 2. Jak se stanovuje vlhkost w? 3. Co je „skrytá pórovitost“?

- (47) -

Mechanické vlastnosti stavebních látek

4 Mechanické vlastnosti stavebních látek

4.1

Síla, tíha, napětí

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. Mechanické vlastnosti určují schopnost prvků a konstrukcí odolávat účinkům vnějších sil (zatížení) a vyjadřují odpor materiálu proti změně jejich tvaru namáháním, případně i porušení. 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. Zde se jen uvede přehled poznatků z těchto disciplin, které jsou nutné k pochopení reálných vlastností zjišťovaných zkouškou. •

Síla F je mírou vzájemného působení hmotných objektů, jako příčina změn jejich pohybových stavů ( změn hybnosti ). Podle II. 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. •

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.s2 . 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]

•

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 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

- 17 (47) -


σ=

∆F ∆A

[ Pa ]

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. 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. 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.

4.2

Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálu

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). 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. Jsou to: •

poměrné prodloužení (zkrácení) ε ve směru namáhání tahem (tlakem) podle vztahu

ε =

L − Lo ∆L = Lo Lo

[1]

kde Lo je původní délka prvku před deformací a L jeho délka vyvolaná deformací. •

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,

•

poměrné zkroucení (zkrut) δ, které vyjadřuje úhel pootočení dvou příčných řezů tělesa dělený jejich vzdáleností.

Všechny tyto deformace mohou být pružné (vratné), jestliže po odlehčení materiálu vymizí. Schopnost látky tělesa nabýt původního tvaru se jmenuje pružnost. 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.

- (47) -


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. Jedná-li se o časově závislou deformaci v oblasti pružnosti látky tělesa, jde o dopružování. V případě časově závislé nevratné deformace mluvíme o dotvarování. •

Pracovní diagramy

Závislost mezi změnou tvaru pevného tělesa a namáháním reálného materiálu vyvolaného vnějším působením sil není předem teoreticky určená, neboť závisí na okamžitých strukturálních vlastnostech látky. Nedá se přímo odvodit z fyzikální podstaty zkoušené látky. Pro navrhování stavebních prvků a konstrukcí a stanovení jejich deformací je ovšem znalost výpočtových charakteristik materiálů, odpovídající této závislosti, velmi potřebná. Proto se pro daný druh materiálu určuje průměrnými hodnotami získanými z experimentálních zkoušek na zkušebních vzorcích předepsaných technickou normou. 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 F a plochy A průřezu zkoušeného tělesa.

Obr. 3.1. Idealizované typy pracovních diagramů Přímkový diagram a) ukazuje deformační chování látky dokonale lineárně pružné, b) látky pružné. V obou případech po zrušení zatížení všechny deformace vymizí, nezůstanou žádné trvalé deformace.

Obr. 3.2. Pracovní diagram betonářské oceli 10 335

- 19 (47) -


Diagram c) 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). 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 (v obr. 1d čárkovaně). Průběh e) může představovat chování látky nelineárně pružné, kdy se vzrůstem napětí roste deformace čím dál, tím rychleji, ale po zrušení zatížení jakékoliv deformace vymizí (podobně jako u průběhu b), nebo i chování látky pružně tvárné bez výskytu přirozené kritické hodnoty R. Diagram f) 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. U skutečných látek jsou pracovní diagramy podstatně složitější. Jejich zaznamenané průběhy se dají obvykle výše popsanými, idealizovanými diagramy, část po části aproximovat a nahradit. Tak např. při zkoušce oceli v tahu má pracovní diagram průběh podle obr. 3.2.

Obr. 3. 3. Pracovní diagram pružně tvárné látky se smluvní mezí kluzu 0,1 a 0,2

Obr. 3. 4. Pracovní diagram betonu v tlaku

- (47) -

Až do bodu 1 je průběh lineární a dá se tedy aproximovat diagramem 1a). V této oblasti platí úměrnost deformace napětí, kterou využívá tzv. HOOKEŮV zákon

σ = E .ε

[Pa]

kde konstantou úměrnosti je modul pružnosti v tahu E. Do bodu 2 je průběh podoben diagramu b); poněvadž po zrušení zatížení vymizí i podélná deformace, je stále ocel v oblasti pružných deformací. Bod 1 se nazývá mez úměrnosti, bod 2 pak mez pružnosti látky. Nad mezí pružnosti se chování látky kvalitativně mění, neboť po zrušení zatížení vymizí z celé naměřené deformace pouze pružná část, zatímco jistá část trvale zůstává - tzv. trvalá deformace.


Hranice napětí (bod 3), při němž nastává trvalá měřitelná deformace, se říká mez průtažnosti. Je-li na diagramu jasně patrna změna průběhu závislosti, jak je tomu u tvárných látek (např. kovů), nese tato mez průtažnosti název mez kluzu Ry, u tlačených se nazývá mezí stlačitelnosti (např. u betonu). Není-li z diagramu jasno, kde tato mez kluzu leží, zavádí se technickým předpisem (např. ČSN) dohodnutá hodnota, tzv. smluvní mez průtažnosti. U kovů je definována jako napětí, po jehož dosažení a opětném odlehčení zůstane v materiálu jistá dohodnutá trvalá deformace. V Evropě je to hodnota 0,002 = 0,2 %, mluví se proto o mezi 0,2 v tahu a značí se Ro2 . V USA je předepsána hodnota 0,001 = 0,1 % , je to tedy mez 0,1 v tahu (obr. 3.3). Poněvadž pružná část z celkově naměřené deformace po překročení meze průtažnosti nabývá konečné velikosti, lze mez 0,1 a 0,2 určit i graficky ze strojového pracovního diagramu, bylo-li použito dostatečného zvětšení zápisu deformace. Podle obr.3.4 se vede rovnoběžka s počátečním úsekem pracovního diagramu na ose deformací ve vzdálenosti 0,1 příp. 0,2 % . Průsečík těchto přímek s čarou diagramu určí pořadnice, jež v měřítku napětí udávají příslušnou mez σ0,1 nebo σ0,2. Pracovní diagramy různých betonářských ocelí jsou na obr. 3.5a. Jinak lze přesněji určit tuto mez postupným zatěžováním a odlehčováním zkoušeného vzorku a současným tenzometrickým měřením narůstajících trvalých deformací.

Obr. 3. 5a. Deformační diagram ocelí různé jakosti

Jiný příklad je pracovní diagram betonu v tlaku. Podle obr. 3.4 se dá první část čáry aproximovat křivkou podle diagramu d) látky nelineárně pružné. Aby bylo Obr. 3. 5b. Deformační diagram betonů různé jakosti možno použít pro výpočty deformací betonových konstrukcí v oblasti pružných deformací rovněž modulu pružnosti E, byl Hookeův lineární zákon nahrazen Bach-Schüleovým mocninovým zákonem ve tvaru σn = E .ε, kde n je číslo blízké jedničce, ale pro beton obecně větší než 1. V praxi se pro namáhání betonu do 20% až 30% jeho pevnosti uvažuje n = 1. Velikost modulu pružnosti v tlaku závisí na př. u betonu na jeho pevnosti (obr. 3.5b). 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. Podle něj je deformace úměrná napětí v oblasti pružnosti látky až do meze úměrnosti. Patří sem:

- 21 (47) -


•

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.

•

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 ]

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 ]

Kontanty pružnosti tuhých těles se určují buď pracně ze statického namáhání podle přesně předepsané metodiky zkoušky, nebo i velmi snadno z dynamického namáhání. Hodnoty získané z dynamických zkoušek jsou obvykle vyšší. •

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.

4.3

Pevnost stavebních hmot

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. 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. 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. Podle toho jakým způsobem je vyvozeno namáhání materiálu, jde o tyto základní druhy pevností: •

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. Vzorek je namáhán postupně, klidným statickým tahem, předepsanou rychlostí nárůstu síly až do porušení obr.3.6.

- (47) -


Obr. 3. 6. Pevnost v tahu

Obr. 3.7. Pevnosti betonu (kamene) v tlaku prostém

Mez pevnosti v tahu se určuje podle vztahu:

Rt =

Ft Ao

[ Pa, MPa ]

Provádí-li se tahová zkouška materiálu (na př. betonářské oceli), zajišťuje se kromě pevnosti v tahu i mez kluzu (resp. R0,2) a tažnost. Tato důležitá vlastnost materiálu vyjadřuje jeho schopnost přetváření za normální teploty. Vyšší tažnost materiálu umožňuje snadné ohýbání plechů, tyčí i trubek, nízká tažnost způsobuje tzv. lámavost materiálu za studena. Nejčastěji se určuje jako poměr z trvalé deformace L po přetržení materiálu mezi dvěma značkami, vyznačenými na zkušebním vzorku, k jejich původní vzdálenosti (měřicí délce) Lo. •

pevnost v tlaku Rc je mezní napětí při největším zatížení Fc, které snese zkušební těleso při zkoušce tlakem, vztažené na plochu počátečního průřezu Ao (obr.7).

Rc =

Fc Ao

[ Pa, MPa ]

Na rozdíl od pevnosti v tahu, je nutno při vyšetřování tělesa uvážit některé okolnosti. U štíhlých tlačených prvků s velkým poměrem délky ku nejmenšímu příčnému rozměru a rovněž tak u tenkostěnných částí prvků, v nichž dochází k napětí v tlaku i při jiných způsobech namáhání, je únosnost prvku vyčerpána ztrátou stability a ne pevností v tlaku. Příslušné kritické napětí se podle dřívějších zvyklostí někdy nazývá vzpěrná pevnost. Z těchto důvodů se proto zkouší pevnost v tlaku na vzorcích o malé štíhlosti. Přitom dochází k ovlivnění čel vzorku tlačnými deskami zkušebního lisu, které brání volnému příčnému roztahování vzorku. Dochází ke značnému tření mezi vzorkem a deskou lisu a tím k příčnému sevření, a proto také je na př. pevnost v tlaku zjišťována na krychlích, tzv. pevnost krychelná Rc,cu vyšší než na hranolcích - pevnost hranolová Rc,pr nebo na válcích (i vývrtech) - pevnost válcová Rc,cy. Poměr délky ku příčnému rozměru bývá u hranolů minimálně 3 : 1, u válců pak 2 : 1. Mimo to je hodnota pevnosti v tlaku ovlivněna i velikostí zkušebního vzorku tak, že u menších rozměrů vzorků je pevnost vyšší. Proto se udává i rozměr zkušebního

- 23 (47) -


vzorku (v ČSN EN 206-1 pro zkušební pevnosti betonu v tlaku je předepsána základní krychle o hraně 150 mm) •

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 (obr.8). 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. Provádí-li se tato zkouška na válcích, nazývá se často zkouškou brazilskou podle země, kde byla poprve provedena. Dá se provádět i na jiných tvarech zkušebních vzorků. Používá se rovněž zkušebních krychlí, které se zatěžují tlakem působícím na dvě úzké protilehlé plošky uprostřed běžné tlačené plochy krychle. Nazývá se zkouška grenobelská. Pevnost v příčném tahu je poměrně málo ovlivněna tvarem zkušebního vzorku. Může se proto použít i delších hranolů, a pod. Pro válce je dána vztahem: Obr. 3.8. Příčný tah

Rt ,tr =

2 Fc π .d .h

[ MPa ]

Pro krychle je dána vztahem:

Rt ,tr = •

2 Fc π .a 2

[ MPa ]

pevnost v ohybu Rf,

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. Pro vysvětlení jejich chování při zatížení zvolíme jednoduchý případ dřevěnou desku (b-šířka, h-tloušťka, výška), uloženou jako prostý nosník na dvě podpory (vzdálené od sebe - Lo). Působením vnějšího zatížení kolmého na osu nosníku - např. při zkoušce ohybem v lisu (obr.3.9) dojde k jejímu průhybu. Současně zjistíme (při přesném měření), že dřevní vlákna se na vyduté straně desky zkracují, na vypuklé straně protahují. Podle pracovního diagramu bylo zřejmě zkrácení vyvoláno vznikem napětí v tlaku, zatím co protažení vláken vznikem napětí v tahu. Po výšce průřezu h přechází tedy tahové napětí

- (47) -


Obr. 3. 9. Zkoušky trámců v ohybu

v tlakové a jeho průběh se obvykle uvažuje podle přímkového zákona (přesně platí do meze úměrnosti materiálu). Nulové hodnoty nabývá v tzv. neutrální ose (rovině). Z rozložení napětí po průřezu rovněž vyplývá, že jeho součtem nemůže vzniknout jako výslednice jedna normálová síla (tak, jak tomu je u prostého tahu nebo tlaku), ale vznikají dvě výslednice, každá v těžišti svého napěťového obrazce. Tahová a tlaková vnitřní síla jsou síly stejně velké, vzájemně rovnoběžné, ale opačného smyslu. Tvoří tzv. dvojici sil, která svým točivým účinkem - momentem vnitřních sil musí být v rovnováze s ohybovým momentem Mf k danému průřezu nosníku. Ten je definován jako algebraický součet všech statických momentů od vnějšího zatížení působícího na nosník až po daný průřez. Průběh ohybového momentu po celé délce nosníku se často znázorňuje graficky momentovým obrazcem (obr.3.9). V průřezu, kde nabývá největší hodnoty (velmi často uprostřed rozpětí) vzniká i největší napětí v krajních vláknech nosníku (kladný tah na vypuklé, záporný tlak na vyduté straně). Velikost napětí ve vlákně ve vzdálenosti a od neutrální osy (roviny) nosníku se počítá podle vzorce

σf

=M f.

at/I

[ MPa ]

největší napětí nastává v krajním vlákně průřezu nosníku, kdy aL = ama x = e a počítá se obvykle ze vztahu

σf

=M f

/W

[ MPa ] , kde W = I / e

[ m3 ]

v těchto vzorcích značí: Mf

ohybový moment k danému průřezu nosníku v [ N . m ],

I

moment setrvačnosti průřezu, vyjádřený kvadratickým momentem plochy průřezu (pro obdélníkový průřez je I = b . h3 / 12 . v [ m4 ] ),

W

průřezový modul odporu (pro obdélník je W = b . h2 /6) v [ m3 ] ,

- 25 (47) -


a

vzdálenost vlákna od neutrální osy (uvažuje se kladná, směřuje-li k vypuklé straně nosníku, jinak je záporná) v [m] .

Překročí-li napětí v krajním vlákně vnitřní soudržné síly mezi částicemi materiálu, dojde k destrukci nosníku, tj. k jeho zlomení. Toto mezní napětí se nazývá pevnost v ohybu Rf , a vzniká při dosažení ohybového momentu vyvolaného tzv. lomovým zatížením (břemenem). U materiálů, které snesou značnou deformaci (průhyb), aniž by došlo ke zlomení se často za pevnost v ohybu pokládá největší dosažené zatížení při určitém předepsaném průhybu zkušebního prvku (např. u plastů). Pro zkoušku pevnosti v ohybu u ostatních materiálů se připraví zkušební vzorky obvykle ve tvaru hranolu nebo kvádru. Zkoušený prvek se uloží na dvě podpory jako prostý nosník nebo nosník s převislými konci. Zatěžuje se jedním nebo dvěma symetricky rozmístěnými břemeny vzhledem k podporám. Zatížení se plynule zvyšuje předepsanou rychlostí až do zlomení (destrukci) zkušebního vzorku. Z vyvozeného zatížení se vypočte ohybový moment, z něhož se určí pevnost v ohybu podle vztahu [ Pa, MPa]

Rf=Mf /W

Tento obecný vzorec se pro vstupní veličiny předepsané konkrétním zkušebním postupem dá upravit a tím značně zjednodušit výpočet. Dochází-li u zkoušky ohybem k prvotním známkám porušení v tlačené oblasti prvku, mluvíme o zkoušce pevnosti v tlaku za ohybu např. u silně vyztužených betonových trámců. •

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 podle vztahu Rs = Fs / Ao

Obr. 3. 10. Smyk

•

[ Pa, MPa]

Jeho znalost je nutná pro různé spojovací materiály (šroubky, nýty, vruty, hřebíky) a pro krátké konstrukční nosníky, či prvky (konzolky, čepy, hmoždinky).

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]

Rt or = Mtor / Wtor

- (47) -


kde Wtor je průřezový modul v kroucení (torzi) v [ m3] a je vypočítáván v z polárního momentu setrvačnosti v daném průřezu i uváděn ve statických tabulkách. O pevnosti materiálu v kroucení se dosti často přesvědčujeme při povolování matek zarezivělých v závitu šroubu tím, že dřík ukroutíme. Další typy pevností Mimo uvedené základní typy pevností jsou ještě další druhy pevností materiálu, které je nutno při navrhování konstrukcí znát. Patří sem: •

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. Ostrými vruby se houževnatost (ale i pevnost) materiálu podstatně snižuje, zejména u křehkých (např. lámání skla přes vrub, vytvořený diamantovým nožem). 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. Problematika stanovení pevnosti materiálů, zejména pak stavebních, patří dosud k otevřeným oblastem stavebního zkušebnictví a vyžaduje součinnost celé řady vědních oborů, které se zabývají mechanikou porušování, molekulární a strukturální fyzikou, teorií pevností, některými speciálními obory matematiky a vývojem nových experimentálních metod. U jednotlivých stavebních materiálů budou otázky pevností rozebrány šířeji.

4.4

Tvrdost materiálu

Tvrdost definujeme nověji jako odpor proti tvárné (trvalé plastické) deformaci materiálu. Starší definice - odpor proti vniku cizího tělesa - nevystihuje např. měření tvrdosti odrazovými metodami, kdy se zjišťuje z odskoku ztráta mechanické energie způsobená trvalým přetvořením materiálu a která se změnila v teplo. 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:

- 27 (47) -


•

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. Takto se dosud určuje číslo tvrdosti hornin a jiných, např. keramických materiálů, skla ap. •

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)

Metody vnikací

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. •

Metody odrazové

Jsou založeny na pružném odrazu standardního tělesa, padajícího z určené výšky nebo vrženého jistou energií, od povrchu zkoušeného materiálu. Část původní energie se spotřebuje na trvalé přetvoření materiálu a změní se v teplo, zbývající část (která způsobila jen pružnou deformaci) se projeví odrazem standardního tělesa do menší výšky. Takto se ve strojírenství měří tvrdosti kovů podle Shora (odrazem). Na tomto principu jsou založeny i Schmidtovy tvrdoměry hojně používané pro zkoušení betonu, keramiky i jiných materiálů ve stavebnictví.

4.5

Reologické vlastnosti

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. U kovů se této vlastnosti říká tečení nebo studený tok, u betonu pak dotvarování, ploužení. Vyskytne-li se - (47) -


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). Látky, u nichž se hned po zatížení vyskytují nepružné deformace se nazývají vazkotvárné nebo viskoplastické a proces, který nastává - dotvarování. 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. 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. Mezi reologické vlastnosti patří dále plasticita, viskozita, konzistence (např. malt a betonů), duktilita a penetrace (asfaltů), ap.

4.6

Tepelné vlastnosti

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: •

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. Nejnižší hodnotu z látek má suchý vzduch v klidu, asi 0,025 W . m-1 . K-1, vysoce tepelně izolační látky mají součinitel kolem 0,05 W . m-1 . K-1 (např. pěnové sklo, pěnový polystyren, suché pórobetony), voda např. asi 0,56 W.m-1.K-1, zatímco tuhé plné silikátové hmoty kolem 3 W.m-1.K-1, kovy až 200 W.m-1.K-1. 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 (např. ztráta tepelně izo- 29 (47) -


lačních vlastností pórobetonů střešních plášťů při poruše parotěsných zábran, případně při zatékání do střechy). •

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.

•

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 ]

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 ]

Velkou tepelnou jímavost mají např. kovy, kámen, beton ap. malou pak pěnové nebo vláknité tepelně izolační materiály. Obě tyto vlastnosti - tepelná jímavost i teplotní vodivost rozhodují při neustáleném vedení tepla, např. při přerušovaném vytápění o kolísání vnitřní teploty prostředí. Bude-li teplotní vodivost malá a tepelná jímavost velká, bude se prostor sice déle ohřívat, zato ale po přerušení dodávky tepla svoji teplotu déle podrží a její pokles bude pozvolný. •

Teplotní délková roztažnost α udává změnu délky tělesa z dané látky při změně teploty podle vztahu kde ∆L = L - Lo = α . ∆ T ;

α=

∆L Lo ∆T

[K -1]

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. •

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. Kombinujíli se tradičními materiály, je třeba s tímto výrazným rozdílem počítat. Jinak dochází k nepříjemným závadám estetickým i funkčně statickým, neboť

- (47) -


v obou použitých materiálech mohou vznikat nepříjemná vnitřní pnutí vedoucí k poruchám.

4.7

Tepelně technické vlastnosti

•

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.

•

Žáruvzdornost , jedná se o odolnost vůči teplotám nad 1000oC. Udává se rovněž 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)

•

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.

•

Samozhášivost je schopnost látek po oddálení plamene během několika vteřin nebo minut samovolně uhasnout.

•

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.

- 31 (47) -


4.8

Ostatní vybrané vlastnosti stavebnin

K dalším vlastnostem stavebních hmot, jimiž se zabýváme jen za určitých podmínek působení okolí na stavební konstrukci, patří zejména: 4.8.1

Akustické vlastnosti

vyjadřující chování materiálů, prvků a částí nebo i celých konstrukcí, jsou-li vystaveny účinkům hluku, chvění, otřesům, zvukovým rázům ap. Při navrhování akusticky vhodného prostředí je nutno znát rychlost šíření zvuku v jednotlivých prostředích, akustickou impedanci, útlum, vzduchovou a kročejovou neprůzvučnost, pohltivost povrchů a celých stěn, přenos a tlumení chvění, otřesů i rázů od zdroje (např. odstředivka prádla, čerpadlo topného systému) k čidlu člověka. S chvěním, otřesy a rázy souvisí rovněž znalost rezonančních kmitočtů jednotlivých prvků i celé konstrukce (případně i kritických kmitočtů) a jejich potlačení tak, aby byla stavební konstrukce bezpečná i proti zřícení (mostní konstrukce při nárazovém větru, stavební konstrukce tkalcoven při jednostranném nárazu člunků ap.) Rychlost šíření zvuku v materiálech závisí na modulu pružnosti v tlaku nebo tahu o objemové hmotnosti látky v = E0,5 . ρv-0,5

[ m . s-1 ]

Rychlost šíření zvuku ve vzduchu je 344 m .s-1, ve vodě 1484, m . s-1 , v oceli 6000 m . s-1, v betonu 3500 - 4600 m . s-1, v hliníku 6300 m . s-1 a ve směru vláken dřeva 3600- 4100 m . s-1. 4.8.2

Optické a světelnětechnické vlastnosti

Patří sem zejména znalost lomu a odrazu světla, jeho rozklad, tzv. barevný rozptyl, průchod světla hmotou, tj. průhlednost a průsvitnost, barva světla, případně její teplota, kontrast jasu, svítivost a osvětlenost, oslunění, ap. Dají se sem připojit i vlastnosti spojené s účinky slunečního, ultrafialového a jiného záření. 4.8.3

Elektrické a magnetické vlastnosti

stavebních hmot je třeba znát jen ve zvláštních, ojedinělých případech. Je to při výstavbě objektů energetických vysílacích anténních systémů, tratí s elektrickou trakcí, ap. Z nejdůležitějších vlastností jsou to: měrný elektrický odpor (rezistivita), měrná vodivost (konduktivita), permitivita a útlum elektromagnetických vln. 4.8.4

Chemické vlastnosti

vyjadřují chemickou odolnost stavebních látek vůči okolnímu prostředí, je to odolnost zejména proti zásadám, kyselinám, rozpustidlům, olejům, hladové a agresivní vodě, roztokům solí ap. Mezi stavební hmotou a obklopujícím prostředím dochází často k vzájemným reakcím, které obecně zahrnujeme pod pojem koroze Všechny vyspělé státy bojují proti různým formám koroze

- (47) -


(chemické, mechanické, elektrochemické, světelného a radioaktivního záření, biologické ap.) a hledají proti ní účinnou ochranu. 4.8.5

Biologické vlastnosti

vyjadřují odolnost látky proti mikroorganismům, plísním a houbám, odolnost proti porušení rostlinami, odolnost proti hmyzu, hlodavcům i ptákům. Silně jsou napadány zejména makromolekulární látky přírodního původu (dřevo, deriváty, celulózy ap.). i látky syntetické. Známo je i napadání anorganických látek mikroorganismy např. azbestocementové výrobky aj. Odolnost proti těmto škůdcům se zvyšuje přidáním fungicidních látek do příslušného stavebního materiálu. 4.8.6

Technologické, bezpečnostní, hygienické a fyziologické vlastnosti

vyjadřují zvláštní skupinu vlastností stavebních hmot, které jsou vázány na výrobní podmínky a na užitnost výrobku. Patří sem např. kluzkost, ohnivzdornost, spalitelnost, omyvatelnost, poškoditelnost (např. dopravou nebo montáží), svařitelnost, lepitelnost, brousitelnost, leštitelnost, doba tuhnutí a tvrdnutí, obrusnost, ladnost tvarů, vzhled, zvukové vjemy při poklepu, omak (voskovitý, drsný, hladký), zápach apod.

4.9

Přehled nejdůležitějších vlastností stavebních materiálů

Tab. 3.1 - Orientační hodnoty měrné a objemové hmotnosti a nasákavosti různých materiálů Materiál

Měrná hmotnost (hustota) ρ/kg.m

-3

Objem. hmotnost Nasákavost v suchém stavu hmotnostní

Nasákavost objemová

ρv/kg.m-3

%

%

dřevo měkké

1540

400 - 600

80 -140

40 - 55

dřevo tvrdé

1540

600 - 700

60 - 90

35 - 55

ocel

7850

7850

0

0

hliník a lehké slitiny

2700 - 2870

2700 - 2870

0

0

beton obyčejný

2500 - 2700

2000 - 2400

6 - 13

13 - 30

pórobeton

2400 - 2500

400 - 700

40 - 90

35 - 40

PVC tvrdé

1350 - 1470

1350 - 1470

do 0,4

do 0,55

pěnový polystyren

1050

17 - 20

70 - 500

2-7

cihla plná pálená

2600 - 2700

1700 - 2000

15 - 25

36 - 55

pískovec pevný

~

2250 - 2750

0,7 - 5,0

7 - 20

žula

~

2650 - 3100

0,06 - 0,50

0,15 - 1,50

sklo

2200 - 3800

2500

0

0

Tab.3.2 - Orientační hodnoty pevnosti v tlaku a v tahu a moduly pružnosti vybraných materiálů

- 33 (47) -


Materiál

dřevo měkké dřevo tvrdé ocel hliník a lehké slitiny beton obyčejný pórobeton PVC tvrdé pěnový polystyren cihla plná pálená sklo ploché tažené žula pískovec pevný 1) ve směru vláken 2) 3)

Pevnost

Pevnost

v tlaku

v tahu

Modul pružnosti v tahu (tlaku) E/MPa

Rc/MPa

Rt/MPa

47 - 55 1) 60 - 65 1) 350 - 2000 2) 70 - 570 2) 6 - 60 2 - 10 70 - 80 0,07 - 0,25 6 - 35 ~ 900 80 - 280 80 - 220

80 - 105 1) 90 - 135 1) 350 - 2000 70 - 570 1-5 0,2 - 2,0 45 - 60 0,30 - 0,32 1,0 - 4,0 30 - 44 3 - 10 3-8

Modul pružn. ve smyku G/MPa

10000-11800 tah 10500-13000 tlak 210000 65000 - 75000 15000 - 40000 800 - 2000 3000 - 3500 3,5 - 15,0 2000 - 12000 3) 49000 - 78000 27000 - 51000 23000

55 - 70 55 - 70 81000 20000 - 28000 9000 - 1700 35 - 40 1000 ~ ~ 32000 ~ ~

pevnost v tlaku se nezjišťuje a udává se hodnotou pevnosti v tahu asi 300násobek pevnosti v tlaku

Tab. 3.3 - Orientační hodnoty tepelných vlastností vybraných materiálů Materiál

dřevo ocel hliník a lehké slitiny beton obyčejný pórobeton PVC tvrdé pěnový polystyren cihla plná pálená žula pískovec sklo ploché tažené led 1)

Součinitel tepelné vodivosti

Měrná tepelná kapacita

Součinitel délkové teplotní roztažnosti

λ / W.m-1.K-1

c / kJ.kg-1.K-1

α / 10 -6.K-1

0,121 - 0,1631) 50 - 75 125 - 210 1,20 - 1,75 0,12 - 0,25 0,15 0,047 0,65 - 0,80 ~2 ~2 0,93 2,2

2,1 - 2,7 0,46 0,92 - 1,00 0,85 - 1,20 0,85 1,05 1,35 0,9 - 1,1 ~ ~ 0,84 2,09

5,41) 12 23,8 12 7-8 80 - 90 6,8 - 10 5-7 7,89 11,74 6-9 51

podél vláken, napříč vláken je 1,4 až 3 krát méně vodivé a souč. α je 34,1.10-6 K-1

Kontrolní otázky: 1. Jak vypadá pracovní diagram „dokonale tvárné“ látky? 2. Co je Bach-Schüleův zákon? 3. Co rozumíme pod pojmem „houževnatost“? 4. Na jakém principu je založen „špičákový tvrdoměr“? 5. U kterých látek mluvíme o „studeném toku“?

- (47) -

Trvanlivost a odolnost materiálů

5 Trvanlivost a odolnost materiálů Stavební materiály, byť bychom použili ty nejdokonalejší, jsou napadány neúprosně zubem času. Dobrým příkladem jsou nám stavby antické, které ač budovány z kamene, většinou jsou dnes shledávány již ve stavu značně zbědovaném. Toto neúprosné stárnutí a s ním spojená degradace probíhá v závislosti na čase, druhu zvoleného materiálu, vlivu klimatických podmínek, na míře mechanického zatížení, na korozi zaviněné prostředím ap. Tak jako konstruktéři moderních automobilů se snaží volit životnosti všech použitých materiálů co nejshodnější, aby výrobek v podstatě dosloužil při přirozeném stárnutí všemi součástmi a agregáty současně, snaží se moderní konstruktér i ve stavebnictví volit pro budování stavebního díla takovou kolekci materiálů, jež doslouží v přibližně shodném stáří objektu. Nicméně tak jako u automobilu, kde se musí častěji měnit některé součásti (žárovky, pneumatiky, brzdové obložení ap.), tak i u staveb některé konstrukční části jsou vědomě projektovány a užívány tak, že během životnosti stavby jsou vyměňovány, či alespoň rekonstruovány: jsou to střešní krytiny a krovy, okna, rozvody vody, elektřiny a výjimečně plynu, vnější omítky, nátěry a izolace proti vodě. Frekvence těchto obměn však může být značně ovlivněna volbou vhodných materiálů již při budování konstrukce. Činitele, ovlivňující zmíněnou degradaci materiálů, lze rozdělit do pěti skupin: •

Stárnutí látek vlivem působení fyzikálních činitelů

Do této skupiny patří především vlivy vyšších teplot, ale i změny teplot a z nich plynoucí nežádoucí napětí od dilatací, dále záření, především sluneční, jehož významnou složkou je ultrafialové záření a vnitřní mechanické napětí, respektive jeho změny. Patří sem i vlivy abraze větrem a chůzí ap. •

Stárnutí látek vlivem působení chemických činitelů

Chemické látky, pro stavebniny škodlivé, způsobují změny submikrostruktury a tím postupně změnu vlastností zmíněných materiálů. •

Zvětrání

Větrání či zvětrávání je porušování stavebních látek atmosferickými či klimatickými vlivy. •

Koroze

Koroze je způsobena změnou chemického složení obvykle na povrchu látek. Vznik koroze je podmíněn přítomností kyslíku, vody, případně jiných chemických látek. •

Poškození látek vlivem biologických činitelů

Do této skupiny započítáváme narušující organizmy jak mikrobiologické, tak i makrobiologické.

- 35 (47) -


5.1

Koroze kovů

Dynamika koroze je u kovů závislá na jejich afinitě ke kyslíku a na termodynamické stabilitě kovů či jejich sloučenin. U většiny kovů dochází snadno k jejich přeměně na některou z jejich sloučenin, pouze u vzácných kovů jsou tyto reakce termodynamicky nevýhodné. Některé kovy s prostředím sice reagují, vzniklá sloučenina však na povrchu kovu vytváří ochranný povlak, jenž chrání jádro kovu před dalším okysličením. Tento jev je nejběžnější u hliníku. Korozi kovů dělíme dle mechanizmu a kinetiky na: •

Korozi chemickou, jež probíhá ve styku se vzdušným kyslíkem. Kyslík, jež je v přímém styku s povrchem kovů, nebo k tomuto povrchu proniká difuzí přes porézní krycí materiály nebo přes vrstvy již dříve vzniklých korozních produktů vyvolává vznik oxidů těchto kovů. Tato oxidace probíhá většinou v plynném nebo kapalném prostředí. Rychlost oxidace je dána rychlostí difuze a teplotou prostředí. Naopak ale je zpomalována vzniklými vrstvami oxidů, méně propustnými pro kyslík. Chemická koroze může být způsobena mimo kyslíku i jinými látkami jako je sirovodík, oxid siřičitý, oxid uhličitý, polychlorované uhlovodíky, ba dokonce i některými nevodivými organickými sloučeninami.

•

Korozi elektrochemickou, jež může probíhat při vzájemném působení kovu a elektrolytu. Zde elektrolytem může být voda, vodné roztoky elektricky vodivých organických látek, bezvodé taveniny solí při vysokých teplotách ap. Korozní děje se uskutečňují, pokud existuje rozdíl elektrického potenciálu mezi anodickými a katodickými místy. Probíhají podle elektrochemických zákonů a mohou být dvojího druhu - anodové a katodové.

•

Anodová (oxidační) reakce je charakterizována přechodem kovu do roztoku (elektrolytu) v podobě kladně nabitých iontů, přičemž elektrony zůstávají v kovu a nabíjejí ho záporně (polarizace kovu). Touto polarizací je anodová reakce postupně samovolně zpomalována.

V opačném smyslu probíhá redukční reakce katodová (depolarizační), jejíž průběh závisí na koncentraci vodíkových iontů (pH) prostředí, na přítomnosti kyslíku nebo jiné oxidační složky. Takováto reakce prakticky neprobíhá v neutrálním prostředí za nepřítomnosti kyslíku či vody. Průběh anodové i katodové reakce na povrchu kovu je podmíněn přítomností obou oblastí. Místo, kde probíhá rozpouštění kovu (anodová oxidace) je nazýváno anoda, zatímco místo, kde probíhá reakce depolarizační (katodová), se nazývá katoda. Nestejnorodost materiálu a jeho technické úpravy jsou hlavní příčinou, že na povrchu kovů je obrovský počet anod a katod, které za příznivých okolností (vodivé spojení) vytvářejí korozní řetěz mikročlánků. Při vodivém spojení dvou různých kovů vystavených působení elektrolytů vzniká tzv. makročlánek, je-li rozdíl elektrického potenciálu mezi oběma místy dostatečný. Anodová reakce (rozpouštění kovu) probíhá obvykle na kovu méně ušlechtilém, katodová reakce pak může probíhat na obou kovech. Z korozního hlediska je proto kombinace různých vodivě spojených kovů velmi

- (47) -


nebezpečná, obzvláště pokud tyto kovy obklopuje agresivní prostředí. Tento typ napadání kovových materiálů je nazýván elektrolytická koroze. Typy koroze kovů: •

rovnoměrná koroze se projevuje rovnoměrným úbytkem po celém povrchu kovu,

•

nerovnoměrná koroze se projevuje napadením určité části (respektive určitých částí) povrchu nebo vzniká dokonce i uvnitř kovu.

Dále korozi rozdělujeme na šest základních typů: •

důlková koroze se projevuje velkým počtem korozních jamek na povrch kovu. Obvykle vzniká pod narušenými antikorozními nátěry nebo pod korozními produkty. Je omezena na malé plošky a proniká rychle do hloubky,

•

bodová čili štěrbinová koroze se nachází na ojedinělých místech povrchu, např. u kovů s přirozenou ochrannou oxidovou vrstvou (hliník, speciální oceli ap.),

•

laminární koroze se projevuje terasovitým oddělováním vrstev kovu,

•

mezikrystalová koroze vzniká v kovu na rozhraní krystalů kovů působením mikročlánků. Tento druh koroze je neobyčejně nebezpečný, neboť při něm dochází k vnitřní destrukci mezikrystalických vazeb, aniž by na povrchu bylo cokoliv patrno,

•

transkrystalová koroze probíhá mimo rozhraní krystalů i ve vlastních krystalech,

•

selektivní koroze probíhá u slitin kovů, kde koroze napadá méně odolné složky slitiny.

Ochrana kovů proti korozi. Boj proti korozi, především u slitin železa, probíhá prakticky od počátku výroby a užívání kovů. Důvody pro boj proti korozi jsou hospodářské i bezpečnostní. Každým dnem se jen v naší republice proměňují nezanedbatelná množství oceli v bezcenný hydroxid železa, obecně známý jako rez. Ztenčování průřezu ocelových prvků pak vede nejprve ke snížení únosnosti konstrukcí, jejich deformaci, a pokud nepřijde včas sanační zásah, dochází k destrukci. Snaha po ochraně proti korozi může být ovšem motivována i hledisky estetickými. Proti korozi kovových částí stavebního díla lze postupovat různými způsoby. Je to především: •

volba vhodného konstrukčního materiálu pro určené prostředí s patřičnou korozivzdorností,

•

úprava struktury a složení materiálu, včetně zvláštního zpracování,

•

vhodná kombinace materiálů, zamezující vznik elektrolytické koroze. Zde je nutno se vyhnout spojení kovů, vytvářejících el. články (Cu-Zn, nebo Fe-Al) ve vlhkém prostředí,

•

povrch kovu, vystavený klimatickému namáhání a vlhkosti, nemá mít póry a dutiny,

- 37 (47) -


•

použití inhibitorů koroze (látek odstraňujících rozpuštěný kyslík),

•

úprava korozního prostředí např. snížením vlhkosti vzduchu,

•

odstranění bludných proudů v blízkosti kovových konstrukcí (např. v blízkosti el. železničních trakcí) zavedením el. proudu proti směru korozního proudu buď stejnosměrným proudem z vnějšku nebo úmyslným vytvořením makročlánku s jiným kovem - tzv. katodová ochrana,

•

povrchová úprava kovu. Tato se provádí buď leštěním, častěji však nanášením ochranné vrstvy na povrch ohroženého materiálu.

Poslední zmíněná povrchová úprava je nejrozšířenější způsob ochrany proti korozi. Nanášení ochranných vrstev se provádí několika způsoby; jež jsou dále uvedeny: •

pokovení vrstvou kovu odolnějšího proti korozi, než chráněný materiál. Tak na železo bývá nanášen cín, zinek, nikl, chrom, hliník ap. Nanášení lze provést elektrolyticky, nastříkáním roztaveného kovu (tzv. šopování), nebo ponořením do roztaveného kovu,

•

vytvoření ochranného oxidového potahu, chránícího jádro kovu. Takový povlak lze vyrobit elektrochemicky např. při eloxování hliníku. Černění oceli se provádí oxidací za vyšších teplot,

•

vytváření ochranných povlaků z jiných anorganických sloučenin. Sem patří technologie fosfátování oceli, nitridování, nebo velmi účinné chromátování,

•

nanášení ochranných povlaků z nátěrových hmot organické struktury. Jsou to laky olejové, asfaltové, syntetické ,nitrocelulozové, epoxidové, polyesterové, polyuretanové, disperzní a speciální. Na chráněný materiál je nanášíme po důkladné přípravě povrchu štětcem, válečkováním, stříkáním pistolí nebo v elektrostatickém poli, máčením, příp. práškovou technologií s následným vypálením. Kvalitní povlaky se provádějí více-vrstvou technologií z odlišných nátěrových materiálů. Nevýhodou nátěrových hmot je jejich stárnutí především vlivem oxidace a ultrafialového záření. Proto musí být nátěry po čase odstraněny a obnoveny.

5.2

Koroze betonu

Koroze betonu je rozrušování betonu agresivními kapalinami či plyny, jež do něho pronikají z okolního prostředí. Dynamika tohoto děje závisí na aktivitě těchto agresivních činidel a na druhé straně na odolnosti betonu vystaveného korozi. Agresivita látek působících na povrch betonu, je závislá na druhu těchto látek, jejich koncentraci, resp. koncentraci jejich agresivní složky. Paradoxně může škodit i koncentrace nulová, pokud jde o vody hladové. Dalším faktorem, určujícím průběh koroze, je doba vystavení betonu škodlivinám a neopomenutelná je rovněž teplota, v níž tento děj probíhá. Odolnost betonu proti korozi je závislá především na druhu cementu, použitého při jeho výrobě. Dalším významným faktorem, chránícím beton před korozí, je

- (47) -


odpor, který beton klade proti vnikání agresivních látek. Tento odpor se zvyšuje dokonalým zpracováním čerstvého betonu a jeho následným ošetřováním během tvrdnutí. U betonu rozlišujeme čtyři typy korozních procesů: •

vyluhování některé složky betonu. Vyluhování způsobuje především měkká voda, zvaná hladová voda , v níž jsou jen v malé míře nebo vůbec nejsou rozpuštěny soli vápenaté a hořečnaté. V přírodě se hladová voda vyskytuje jako voda srážková a říční. Hladová voda z betonu odvádí rozpustnou součást cementového kamene - hydroxid vápenatý Ca (OH)2. Vyluhovány mohou být i produkty chemického procesu, např. Kyselý uhličitan vápenatý Ca (HCO3)2 . Vyluhováním se zmenšuje hutnost a pevnost betonu,

•

krystalizace některých solí, rozpustných ve vodě. Zvětšením objemu - tzv. krystalickými tlaky při vysychání jejich roztoků, nasáklých uvnitř betonu převážně v kapilárách, vzniká nežádoucí napětí. To může vést až k destrukci betonu. Do vzniklých trhlin vsakuje opět roztok soli a proces se cyklicky opakuje. Na tomto principu je beton poškozován např. roztoky chloridu sodného NaCl, používanými v zimním období v rozmrazovacích směsích,

•

chemická reakce prostředí s betonem jež probíhá s některou ze složek silikátů. K porušení dochází zejména působením hydroxidů či uhličitanů alkalických kovů. V příznivé konstelaci však může nastat stav, kdy chemickým působením mohou vznikat nerozpustné hutné sloučeniny, jež chrání beton před dalším napadáním korozí a zpomalují tak degradaci materiálu.

•

atmosferická koroze je působena agresivními plyny v atmosféře, především CO2 a SO2 , můžeme ji proto považovat za subsystém koroze, uvedené v minulém odstavci. Oxid uhličitý napadá hydratační produkty cementu za vzniku CaCO3 . Tento děj se nazývá karbonatace. Oxid siřičitý rovněž reaguje s hydratačními produkty, se kterými vytváří síran vápenatý, jenž přijetím vody přechází na sádrovec. Jeho velké krystaly pak působí na povrchové vrstvy betonu destruktivně. Tento jev nazýváme sulfatace betonu. Oba výše popsané jevy snižují zásadité reakce betonu. Snížení zásaditosti prostředí ohrožuje ocel vyztužující beton. Ve zdravém betonu je ocel pasivována zásaditostí betonu v rozpětí pH 9-13. Při poklesu pod hodnotu 9 pH je ocel již narušována korozí. Produkty koroze (rez) mají větší objem, než původní ocel, krystalickými tlaky se rozpíná a trhá krycí zkarbonatovanou vrstvu betonu. Tento úkaz končí zřetelným popraskáním krycí vrstvy, až jejím odloupnutím. vnější prostředí má pak bezprostřední přístup k obnažené výztuži, jež navíc přestává staticky spolupracovat s betonem, v němž je umístěna. S ohledem na tuto skutečnost je vhodné volit krytí železové výztuže dostatečně silné mimo jiné proto, aby proces karbonatace, postupující od povrchu betonu dospěl k výztuži co nejpozději. Problematika koroze je u lehkých betonů v některých bodech podobná, má však některé specifické odlišnosti.

•

Lehké betony se zpravidla nevystavují účinkům chemikálií, rovněž působení agresivní vody běžně nepřichází v úvahu. Naopak škodlivé plyny a páry pronikají do lehkých betonů zásluhou jejich vyšší pórovitosti podstatně

- 39 (47) -


snáze, než tomu je u betonů hutných. Zde je nutno zdůraznit vliv CO2 a SO2. Pórovitost naopak snižuje negativní vliv krystalizačních tlaků vysychajících roztoků solí. Některé součásti lehkých betonů (popílky, pucolánové látky apod.) zvyšují odolnost proti chemické agresi působící z vnějšího prostředí. Celkově však je odolnost lehkých betonů proti působení chemických činitelů zmenšena. •

U lehkých betonů vyztužených ocelí je nutno si uvědomit, že ocel je podstatně hůře chráněna před korozí a na rozdíl od oceli v betonu hutném musí být speciálně chráněna povlakem ochranné vrstvy (nátěrové hmoty, nanášené většinou máčením).

•

Indikace míry koroze betonu. Zjištění míry koroze betonu se provádí jednak měřením mechanických pevností, jednak metodami chemickými či fyzikálně chemickými. Mechanické pevnosti jsou zjišťovány destruktivními metodami na zkušebních tělesech (vývrty ap.), nebo nedestruktivními metodami přímo na konstrukci v místech pro měření patřičně upravených. Přítomnost chloridových iontů se na konstrukci zjišťuje pomocí dusičnanu stříbrného. Ke zjištění stupně koroze u betonových konstrukcí je nutno provést chemickou analýzu na vzorcích odebraných z různých hloubek pod jejich povrchem. Na odebraných vzorcích se provádí rovněž rentgenová analýza, analýza na elektronovém mikroskopu a diferenční termická analýza.

Ochrana betonových konstrukcí před korozí. Ochranu betonu lze rozdělit na primární a sekundární: •

Primární (vnitřní) ochrana znamená vhodnou volbu cementu jako pojiva, jakož i jeho množství, dále je ovlivnitelná kvalitou vody a vodním součinitelem, kvalitou kameniva (nízký tvarový index) a velmi důležitou hutností betonu. Za účelem ochrany se přidávají speciální přísady a příměsi. Závažným faktorem je také vhodné ošetřování zrajícího betonu. Všechny tyto faktory je nutno vzít v úvahu při výrobě betonu obzvláště tehdy, kdy předpokládáme korozní namáhání budované konstrukce.

•

Sekundární (vnější) ochrana je používána u již narušených konstrukcí, tedy tam, kde nebyla kvalitně provedena ochrana primární. Za předpokladu extrémního korozního namáhání se doporučuje provádět sekundární ochranu i na konstrukcích nově zbudovaných, byť byly primárně chráněny perfektní technologií. Jako sekundární ochrana se používají penetrace a nátěry různými, většinou makromolekulárními látkami na bázi uhlíku, křemíku ap.

Při ochraně stavebního díla před korozí za pomoci ochranných nátěrů je nutno vzít v úvahu některé závažné fyzikální činitele. Jde především o obsah nasycených vodních par v konstrukci, jež by měly mít umožněn průchod směrem ven z konstrukce. V opačném případě dochází k odlupování nátěrové vrstvy, což je bohužel častý jev. Ochranné nátěry proto mají být semipermeabilní, čili směrem ven propustné pro vodní páry.

- (47) -


5.3

Koroze polymerů

Přestože jsou polymery ve srovnání s jinými stavebními látkami značně odolnější proti korozi z vnějšího prostředí, ani jejich odolnost není dokonalá. Tato odolnost je závislá na druhu použitého polymeru, na jeho plnění, druhu korozivního prostředí a fyzikálních podmínkách. Přitom koroze probíhá na jiných principech, než tomu bylo u výše popisovaných stavebních materiálů. Korozi polymerů (též plastů či makromolekulárních látek) způsobuje většinou více fyzikálně chemických činitelů, jež souběžně znehodnocují polymery až do případné destrukce. Tyto činitele jsou:

•

•

světelné záření,

•

ultrafialové záření (pro polymery obzvláště degradující),

•

radioaktivní záření,

•

teplota,

•

změny teplot (na stavební konstrukci -30 až +70 OC),

•

vzdušný kyslík a ozon,

•

vlhkost,

•

chemické látky obsažené v atmosféře, obzvláště v oblasti městských a průmyslových aglomerací (kouřové plyny a zplodiny),

•

vlivy biologické.

Světelné záření a spolu s ním ultrafialové záření je jedním z nejškodlivějších činitelů pro životnost polymerů. Jeho vliv se projevuje změnou barvy, lesku, vznikem mikroskopických až makroskopických trhlin, zhoršením mechanických i elektrických vlastností, až posléze totálním rozpadem. Tyto všechny projevy degradace jsou závislé na chemické struktuře polymeru a na intenzitě a vlnové délce záření. Vhodná plniva - stabilizátory - zastavují krátkovlnné ultrafialové záření těsně pod povrchem materiálu. Mimoto jsou do ohrožených polymerů, tj. těch, u kterých se předpokládá expozice ultrafialovým zářením, přidávány speciální antioxidanty.

•

Radioaktivní záření působí na strukturu polymerů především reakcemi, při kterých se štěpí vodík, vznikají dvojné vazby, nastává degradace, zesítění ap. Tyto změny ve struktuře chemické se následně projevují i ve změně fyzikálně mechanických vlastností.

•

Teplo ovlivňuje vlastnosti polymerů fyzikálně i chemicky. Fyzikální změny se projevují změnami fyzikálních vlastností, jež však jsou vratné a složení polymerů se nemění. Oproti tomu chemické vlivy tepla vyvolávají trvalé změny vlastností, ovlivněné změnou chemické struktury materiálů. Zde dochází k rušení chemických vazeb a zmenšování makromolekul, což zhoršuje mechanické vlastnosti polymerů. Obzvláště vyšší teploty mohou vést ke značné degradaci zmíněných polymerů.

•

Koroze vlivy chemickými probíhá na rozdíl od jiných napadaných materiálů většinou nejen na povrchu, ale spíše uvnitř hmoty. Chemicky korozní agens totiž polymerní hmotou proniká s těmito průvodními jevy:

- 41 (47) -


•

•

agens proniká polymerní hmotou, aniž mění její makromolekulární strukturu. V tomto případě se nemění ani vlastnosti polymeru. Může to však škodit případně materiálu, jenž je vrstvou polymeru chráněn (nátěry kovů ap.),

•

agens proniká polymerem a váže se s jeho makromolekulami. Pak dochází k bobtnání, zvětšení objemu polymeru a změnám jeho vlastností. Pokud je agens později odstraněno z polymeru např. odpařením, může polymer opět získat své původní vlastnosti jak rozměrové, tak mechanické,

•

agens prochází polymerem a reaguje s ním. Tím dochází ke změně chemického složení a závažným změnám vlastností polymeru,

•

agens může reagovat s plnivy, změkčovadly a jinými přísadami či příměsemi, jež bývají součástí polymerního materiálu. To může být opět důvodem k výrazným a trvalým změnám vlastností napadeného materiálu.

Koroze biologickými vlivy je specifickým typem koroze, který se u jiných stavebních materiálů vyskytuje zřídka (dřevo ap.). Nejčastějším agens zde bývají mikroorganismy, zejména plísně. Toto ohrožení je nejvýraznější v tropických oblastech. Mikroorganismy prorůstají polymerem a živí se jím. Tento úkaz je většinou umocněn tím, že metabolické zplodiny mikroorganismů narušují strukturu polymerů. Polymery, použité v sanitární oblasti, mohou být navíc znehodnoceny tímto způsobem i z hlediska hygienického. Odolnost proti biologickému typu koroze lze zvýšit přísadami baktericidních nebo fungicidních látek přímo do polymerní hmoty. Biologická koroze polymerů je s prospěchem využívána pro ekologické účely. S její pomocí lze likvidovat po použití polymery, pro které není možnost recyklace.

5.4

Odolnost a životnost ostatních stavebních materiálů

5.4.1

Odolnost materiálů proti mrazu

Negativní vliv mrazu na životnost stavebních materiálů je znám již od dávné minulosti. Důsledky škodlivosti mrazu se projevují nejen na zdivu, ale i na základových konstrukcích, dokonce na podloží staveb, na střešních krytinách a dalších součástech budovy. Kromě běžných deformací a křehnutí materiálu při nízkých teplotách dochází změnami skupenství vody z kapalné fáze do fáze pevné k mechanickému rozrušování a rozpadu materiálů. Tímto cyklickým jevem jsou přednostně napadány materiály křehké s otevřenými póry, např. malty, betony, cihly, kámen a další. Progrese porušení je závislá mimo jiné na množství, rozměru a druhu pórů.

- (47) -


Při zmrznutí vody na led dochází ke zvětšení objemu cca o 9 %, což vede ke vzniku vnitřních napětí a porušování struktury. Voda je ve stavebních materiálech obsažena v různých fyzikálních i chemických vazbách, z nichž některé dovolují její přechod do pevné fáze až při teplotách podstatně nižších, než 0 O C. Tato skutečnost vysvětluje proč závažná destrukce probíhá při extrémně nízkých teplotách. Vliv nízkých teplot na vlastnosti stavebních materiálů se zkouší ve speciálních případech metodikou s požadovaným střídáním teplot, u rutinních zkoušek se ověřuje tzv. mrazuvzdornost . •

Zkoušky na mrazuvzdornost se provádějí tak, že zkoumaný materiál vodou nasáklý je z laboratorní teploty +20 OC zmrazován v mrazicím zařízení na teplotu -20 OC s opakovaným ohřevem v temperované lázni. Tento cyklický režim probíhá v časových intervalech předepsaných normou. Zkoušky se provádějí na statisticky významném počtu vzorků. Výsledkem zkoušky je stanovení koeficientu mrazuvzdornosti M po n zmrazovacích cyklech, který se s přesností 0,01 vypočítá ze vzorce :

Mn =

R fn Rf

kde Rfm ... průměrná pevnost zkušebních vysušených těles [ MPa], Rfn...průměrná pevnost po n zmrazovacích cyklech [ MPa]. •

Stupeň mrazuvzdornosti je nejvyšší počet zmrazovacích cyklů, po kterých koeficient Mn mrazuvzdornosti neklesl pod stanovenou hranici. Podle výsledku zkoušky je pak materiál zařazován do jakostních tříd mrazuvzdornosti. U betonu jsou to např. třídy T25, T50, T100, T150, případně s ještě větším počtem cyklů. Mrazuvzdornost se zjišťuje u porézních materiálů, jako jsou cihly, malty, betony, lehké betony, tvárnice, střešní krytina ap. Materiály, u nichž nelze předpokládat, že by byly v praxi regulérně vystaveny zmrznutí nasycené vodou (pórobeton) se zkouší teplotním cyklováním jen ve stavu částečné vlhkosti. Výsledek takové zkoušky pak nehovoří o mrazuvzdornosti, ale o zkoušce trvanlivosti.

5.4.2

Odolnost proti ohni

Podle schopnosti hoření zatřiďujeme stavební látky do těchto stupňů: A - nehořlavé, B - velmi těžko hořlavé, C1 - těžko hořlavé, C2 - středně hořlavé, C3 - lehko hořlavé.

- 43 (47) -


ČSN 73 0823 Požárně technické vlastnosti hmot. Stupeň hořlavosti stavebních hmot jmenovitě uvádí zařazení nejdůležitějších stavebních látek do jednotlivých stupňů hořlavosti. Požární odolnost stavebních konstrukcí je závislá na stupni hořlavosti použitých stavebních látek. Požární odolnost se udává v minutách a vyjadřuje, jak dlouho je stavební konstrukce schopna odolávat teplotám při požáru bez porušení své funkce. Přitom za porušení funkce stavební konstrukce se považuje ztráta únosnosti a stability, porušení celistvosti a překročení mezních teplot na určených částech konstrukce. Zkouška na požární odolnost se provádí ve zkušební peci. Tepelný zdroj v peci se reguluje tak, aby dosahovaná teplota odpovídala předepsané teplotní křivce, určené jako funkce času. Teplota v peci se měří pomocí termočlánků a každých 10 minut se zaznamenává a porovnává s předepsanou teplotní křivkou. Při zkoušce se sleduje chování zkoušené konstrukce při působení předepsané teploty. Výsledek zkoušky se vyjadřuje časem v minutách, který uplynul od začátku zkoušky až do okamžiku, kdy už zkoušená konstrukce nevyhovuje některému z požadovaných kritérií. Ve zprávě o zkoušce se vedle časového údaje uvádí i kritérium, jemuž zkoušená konstrukce nevyhověla. 5.4.3

Odolnost proti obrusu

Obrusnost je mírou pro zjišťování odolnosti povrchu stavebních materiálů proti mechanickým účinkům otěrem. Tato odolnost je závislá na vnitřní struktuře materiálu, jeho homogenitě, u materiálů kompozitních na velikosti a vlastnostech zrn plniva, adhézních schopnostech pojiva a jeho pevnosti v tahu. Kontrolní otázky: 1. Co je mezikrystalická koroze kovu? 2. Co je karbonatace betonu? 3. Jak probíhají zkoušky „mrazuvzdornosti“?

- (47) -

=iYČU

6 Autotest 1. Co je „slitina“? 2. Co je „hutnost“? 3. Co je „nasákavost“? 4. Co je „smluvní napětí“? 5. Kdy platí pro poměrné prodloužení ε =1 ? 6. Co je „smluvní mez průtažnosti“? 7. Co je „soudržnost“? 8. Co je „tvrdost materiálu“? 9. Na jakém principu jsou založeny „odrazové metody“? 10. Jakým způsobem se může přenášet teplo? 11. Co je „hladová voda“? 12. Co rozumíme pod pojmem „primární ochrana betonu proti korozi“?

7 Závěr

7.1

Shrnutí

Učební texty, které jste prostudovali, obsahují základní informace o stavebních látkách, o jejich struktuře a z ní vyplývajícím jejich chování. Znalost fyzikálních a mechanických vlastností látek umožňuje předem stanovit, kde a jakým způsobem určitou stavební látku použít tak , aby splňovala předepsané funkční vlastnosti. V závěru učebních textů jsou uvedeny i degradační vlivy, které snižují životnost jednotlivých stavebních látek a proti kterým je nutno tyto látky chránit. Pochopení obsahu těchto učebních textů umožní čtenáři snazší pochopení dalších odborných textů, které na tento učební text navazují.

7.2

Klíč k autotestu

1. Slitina - je pevná směs, která vzniká ochlazením taveniny kovu 2. Hutnost - 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. 3. Nasákavost - 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.

- 45 (47) -


4. Smluvní napětí - vyjadřuje výpočet hodnoty napjatosti tělesa v jeho určitém místě (např. v příčném řezu) za zjednodušujících předpokladů předepsaných v technických normách. 5. Poměrné prodloužení ε =1 platí pro případ, když je délka L,vyvolaná deformací, rovná dvojnásobku původní délky L0. 6. Není-li z pracovního diagramu jasno, kde leží mez kluzu oceli, zavádí se technickým předpisem (např. ČSN) dohodnutá hodnota, tzv. smluvní mez průtažnosti. U kovů je definována jako napětí, po jehož dosažení a opětném odlehčení zůstane v materiálu jistá dohodnutá trvalá deformace. V Evropě je to hodnota 0,002 = 0,2 %, mluví se proto o mezi 0,2 v tahu a značí se Ro2 . V USA je předepsána hodnota 0,001 = 0,1 % , je to tedy mez 0,1 v tahu. 7. Soudržnost - 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. 8. Tvrdost - definujeme jako odpor proti tvárné (trvalé plastické) deformaci materiálu. 9. Odrazové metody - jsou založeny na pružném odrazu standardního tělesa, padajícího z určené výšky nebo vrženého jistou energií, od povrchu zkoušeného materiálu. Část původní energie se spotřebuje na trvalé přetvoření materiálu a změní se v teplo, zbývající část se projeví odrazem standardního tělesa do menší výšky. 10. 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. 11. Hladová voda – je měkká voda, která způsobuje vyluhování betonu. Jsou v ní jen v malé míře nebo vůbec nejsou rozpuštěny soli vápenaté a hořečnaté. V přírodě se hladová voda vyskytuje jako voda srážková a říční. 12. Primární - ochrana betonu znamená vhodnou volbu cementu jako pojiva, jakož i jeho množství. Dále je ovlivnitelná kvalitou vody a vodním součinitelem, kvalitou kameniva (nízký tvarový index) a velmi důležitou hutností betonu. Za účelem ochrany se přidávají do betonu speciální přísady a příměsi.

- (47) -

6WXGLMQtSUDPHQ\

8 Studijní prameny

8.1

Seznam použité literatury

[1] Adámek, J., Novotný, B., Koukal, J.: Stavební materiály, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, leden 1997, ISBN 80-214-0631-3 [2] Jílek, A., Novák, V.: Betonové stavitelství I., SNTL, Praha 1986 [3] Dědek, M.: Stavební materiály, SNTL, Praha 1989 [3] Rouseková, I. a kol.: Stavebné materiály, Jaga group, Bratislava 2000, ISBN 80-88905-21-4

- 47 (47) -

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ. Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc. Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc. STAVEBNÍ LÁTKY MODUL BI01-M01

Recommend Documents