prof. Ing. Zbyšek Pavlík, Ph.D. – D1048a - cvut.cztpm.fsv.cvut.cz/student/documents/files/MI...
Transcript of prof. Ing. Zbyšek Pavlík, Ph.D. – D1048a - cvut.cztpm.fsv.cvut.cz/student/documents/files/MI...
KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
VLASTNOSTI REÁLNÝCH STAVEBNÍCH HMOT
prof. Ing. Zbyšek Pavlík, Ph.D. – D1048a
Vlastnosti stavebních hmot – úvod, shrnutí
• podstat stavebních hmot • základní stavební jednotkou látek jsou atomy – hmotné částice o
hmotnosti 10-22 – 10-24 g (velikost desetiny nanometrů)• molekuly – tvarově definovatelné stabilní útvary (viz. přednáška č. 2)• prvky – látky tvoření jedním druhem atomů• sloučeniny – látky tvořené jedním druhem molekul (rozměry v řádech nanometrů až makromolekuly)
• tvorba sloučenin z prvků, přeměna jednotlivých sloučenin a procesy izolace prvků jsou chemické procesy označované jako chemické reakce
při chemických reakcích se mění vazebné síly mezi jednotlivými atomy, vznikají nebo zanikají chemické vazby (přednáška č. 2)
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Vlastnosti stavebních hmot• vlastnosti stavebních hmot jsou určeny povahou a velikostí
soudružných sil, které působí mezi jednotlivými atomy, ionty případně molekulami
Dělení materiálů:anorganické materiály – kovové
– nekovové (keramika, sklo, anorganická pojiva, povrchové povlaky, monokrystaly – NaCl, diamant)
organické materiály – syntetické (plasty), přírodní - dřevo, ovčí vlna, papír, sláma
kompozitní materiály – matrice s výztuží (kombinace nejméně dvou různých materiálů); sklokeramika, železobeton, cementové kompozity s různým typem výztuže (GFRC, grafitová vlákna, apod.)
VNITŘNÍ TEXTURA A STRUKTURA MATERIÁLŮ (rozlišujeme podle úrovně sledování)
textura popisuje vzájemné prostorové uspořádání částic a pórů na makroskopické úrovni (od 0,1 mm)
struktura charakterizuje druh a skladbu jednotlivých fází látek bez ohledu na prostorové uspořádání na mikroskopické úrovni ( 1m)
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Idealizované mikrostruktury (Chemie ve stavebnictví – O. Henning, V. Lach, SNTL, 1983)
A) polykrystalická s různě velkými zrny, B) polykrystalická s prakticky stejněvelkými zrny, C) polykrystalická s orientovanými zrny (mikrotextura), D)mikrostruktura s malými póry, E) mikrostruktura s póry velikosti zrna, F)mikrostruktura s velkými póry, G) mikrostruktura o dvou fázích, krystalické askelné (čárkovaná), H) mikrostruktura o dvou fázích, přičemž krystalickánemá přímou vazbu
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Schéma vzniku mikrostruktury keramického střepu
Surovinová směs
(disperzní soustava)
_______________________
směs různě velkých zrn minerálů (fází)
přechodná mikrostruktura (výlisku, výsušku)
_______________________
uspořádání a spojení zrn minerálů (fází) mezimolekulárními silami, přítomnost pórů mezi zrny
výsledná mikrostruktura (vypáleného střepu)
_______________________
uspořádání a spojení zrn reakčními produkty - změna zrn a pórů (fázového složení)
vlhčení, hnětení, lisování, konsolidace, řezání
slinování (výpal), kompaktace
Schéma vzniku mikrostruktury zatvrdlé maltoviny
surovina nebo směs
(disperzní soustava)
_______________________
směs různě velikých zrn jednoho nebo více minerálů
mikrostruktura maltoviny
kompaktní (např. slínek) rozrušená (např. cement )
uspořádání a spojení zrn oddělená a volná zrna
minerálů, póry nebo shluky zrn minerálů
určité velikosti
mikrostruktura zatvrdlé maltoviny
_______________________
zrna hydratačních produktů maltoviny spojená v souvislou tuhou fázi
tepelné zpracování, slinování
+ H2O, hydratce, tuhnutí, tvrdnutí
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
SEM snímek mikrostruktury vápeno-cementové malty
- krystaly CH, hydratované cementové zrno a formace C-S-H na
korodovaných okrajích CHK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
SEM snímek mikrostruktury cementové malty
- amorfní síťovité a jehlovité C-S-H fáze cementové malty po 90 dnech,
krystaly CH jsou lokálně vázányK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
SEM snímek mikrostruktury vápeno-cementové malty
- hydratovaná struktura VPC malty po 90 dnech – klastry CH obklopené
amorfní fází CSHK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
O. Cizer, K. Van Balen, D. Van Gemert, J. Elsen, Blended lime-cement mortars for conservation purposes:Microstructure and strength development, Structural Analysis of Historic Construction,Taylor & Francis Group, London, 2008, pp. 965-972.
Vlastnosti stavebních hmot- látkové složení materiálů (typy látek, pevné, kapalné, plynné –
amorfní, krystalické)- chemické složení materiálů
- typ materiálu – porézní materiály, hutné materiály, homogenní a nehomogenní materiály, isotropní materiály, anisotropní materiály (ortotropní materiály – vláknové kompozity)
- heterogenní látky – v materiálu existují oblasti, které jsou ohraničené vůči svému okolí a mají jiné vlastnosti nebo i složení než toto okolí –typické pro většinu pevných látek (kromě některých slitin) – typickou heterogenní oblastí jsou póry, kompozity, sypké látky, přechodové zóny
- vliv vnějších podmínek na vlastnosti materiálů (teplota, vlhkost, relativní vlhkost, tlak) !!!
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Vlastnosti stavebních hmot – vývoj inteligentních materiálů – materiálové inženýrství
- materiály (v zásadě i konstrukce), které mohou některou svou vlastnost vhodně měnit v reakci na změnu okolního prostředí
- např. paropropustné fólie s proměnným difúzním odporem, vnitřní omítky - schopné v teplých dnech akumulovat teplo (PCM), skla reagující na intenzitu zabarvení (možnost využití i pro vytápění –inteligentní fasády)
- ve vývoji jsou také materiály, které jsou schopny změny svých vlastností na základě nejakého konkrétního signálu – např. lepidla s ferofluidovými nanočásticemi na bázi oxidu železa (tyto částice fungují jako antény, které jsou schopny zachytit mikrovlnné záření a jeho působením se velmi rychle ohřát na teplotu potřebnou k vytvrzení hmoty – lepení na povel)
- samočistící krytiny, samočistící obkladačky - potaženy speciálními anorganicko-organickými povlaky, které odpuzují nečistotu, mastnotu i oplachovou vodu
Delta cool 24 – chladící systém na bázi PCM Micronal SmartBoard
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Vlastnosti stavebních hmot – vývoj inteligentních materiálů –materiálové inženýrství
- materiály s tvarovou pamětí, polymerní pěny – definování pevnosti- vodivé polymery - spojují v sobě elektrické chování typické pro
polovodiče s materiálovými vlastnostmi umožňujícími jednoduché zpracování, mohou měnit svou strukturu, a tedy – v závislosti na odezvě okolního prostředí – i své fyzikální vlastnosti (V roce 2001 Nobelova cena - Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid a Hideki Širakawa)
Předpokladem pro rozvoj inteligentních materiálů je zvládnutí nanotechnologických operací, které umožní vytvořit promyšleně koncipované materiálové struktury na molekulové úrovni!!!
Ve stavebnictví se nanotechnologie uplatňují zatím především ve vývoji nových typů izolačních materiálů (např. aerogely) a při vývoji samočistících nátěrů fasád.
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Baumit Nanopor omítka, zvětšeno 500x Baumit silikonová omítka, zvětšeno 500x
Baumit Nanopor omítka, zvětšeno 2000x Silně hydrofobizovaná omítka, zvětšeno 2000x
Princip PCM materiálů
Vlastnosti stavebních materiálů
Základní fyzikální vlastnosti
Vlhkostní a difúzní vlastnosti
Mechanické vlastnosti
Tepelné vlastnosti
Akustické vlastnosti
Radioaktivita
Chemické vlastnosti
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Základní fyzikální vlastnosti
• vlastnosti, k jejichž určení postačí stanovení hmotnosti a rozměrů či objemu zkoušeného vzorku materiálu
• jsou to vlastnosti, které do jisté míry materiál charakterizují a na nichž ostatní vlastnosti závisejí
• objemová hmotnost
• hustota (dříve specifická hmotnost), hustota matrice
• hutnost
• pórovitost
• zrnitost
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Objemová hmotnost a hustota
• hustota a objemová hmotnost jsou jako fyzikální veličiny definovány poměrem elementární hmotnosti ku elementárnímu objemu (u hustoty se jedná o objem bez mezer a dutin, u objemové hmotnosti včetně pórů)
[kg/m3] pro homogenní materiál pak můžeme psát
kde v je objemová hmotnost materiálu, definovaná poměrem celkové hmotnosti vzorku ku celkovému objemu vzorku včetně pórů a mezer.
dVdm
vVm
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Experimentální stanovení objemové hmotnosti a hustoty
• Gravimetrická metoda – ze změřených rozměrů daného vzorku a jeho hmotnosti lze vypočítat objemovou hmotnost materiálu
• Metoda vakuové nasákavosti - z hmotnosti suchého vzorku ms, hmotnosti vodou nasyceného vzorku mv a hmotnosti ponořeného vodou nasyceného vzorku, tzv. Archimédovy hmotnosti ma, se vypočítá objem vzorku dle rovnice
kde l je hustota kapaliny (vody)
základní vlastnosti, jako jsou obsah nasycené vlhkosti wc a hustota materiálu ρmat se určují z následujících rovnic
l
av mmV
Vmmw sv
vc
0 01s
matm
V
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Experimentální stanovení hustoty matrice
• určení objemu stavebních materiálů s nepravidelným tvarem a povrchem je velmi obtížné, a proto se využívá nepřímé metody, tzv. pyknometrické, kdy je měření objemu nahrazeno vážením vzorku v pyknometru
• pyknometr je speciální nádoba se zátkou, ve které je kapilára pro výtok přebytečné kapaliny, tudíž je objem pyknometru vždy shodný
[kg m-3]
kde m1 je hmotnost suchého vzorku [kg], m2 je hmotnost zavřeného pyknometru se vzorkem a kapalinou [kg], m3 je hmotnost pyknometru se zátkou naplněného zcela kapalinou [kg], l je hustota měřené kapaliny [kg m-3]
Možnost využití plynových absorpčních pyknometrů – penetrace např. Helia – vyplnění malých pórů
1
3 2 1mat l
mm m m
• stavební materiály většinou za homogenní považovat nemůžeme
- vyskytuje se u nich pórovitost- bývají často tvořeny směsí několika komponent (principy
homogenizace)
• zpravidla se však u všech materiálů pro dostatečně velké objemy může uvažovat určitá objemová stejnorodost (vzorky reprezentativního objemu) proto se v technické praxi pro charakteristiku daného materiálu zavádí veličina zvaná objemová hmotnost
- objemová hmotnost látek je závislá na hustotě základních složek daného materiálu, ale velmi silně i na jeho pórovitosti
- u sypkých látek (stěrk, písek) či stlačitelných látek (minerální vlna, skelná vlna atd.) i na stlačitelnosti – míře zhutnění(sypná hmotnost – zahrnuje celkový objem zrnité soustavy včetně objemu mezi zrny).
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Např. u pórovitého kameniva můžeme rozlišit celkem čtyři různé veličiny:
• sypná hmotnost ve stavu volně sypaném (např. 400 kg/m3)
• sypná hmotnost ve stavu setřeseném (např. 600 kg/m3)
• objemová hmotnost zrn (např. 850 kg/m3) – nezapočítá se objem mezer mezi zrny
• hustota zrna (např. 2550 kg/m3, dle typu kameniva)
! Objemová hmotnost se bude také měnit s vlhkostí materiálu, neboť póry se budou plnit vodou a celková hmotnost, tedy i objemová hmotnost, bude narůstat.
! Objemová vlhkost je veličina důležitá pro charakteristiku stavebních materiálů nejenom z hlediska tíhových, ale i v souvislosti s řadou tepelně-technických veličin (tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita), mechanických veličin a akustických veličin.
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Vztah mezi objemovou hmotností a pórovitostí – organické materiály
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Vztah mezi objemovou hmotností a pórovitostí – anorganické materiály
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Hutnost
• popisuje, jak je celkový objem materiálu vyplněn pevnou fází (definuje se pouze u pevných látek)
• matematicky je vyjádřena jako poměr objemu pevné fáze k celkovému objemu nebo poměrem objemové hmotnosti k hustotě matrice
• v praxi se udává jako desetinné číslo nebo v procentech
• u sypkých látek se zavádí stupeň nebo také míra zhutnění(poměr sypné hmotnosti při určitém zhutnění ku sypné hmotnosti při
dokonalém zhutnění)
h vVhV
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Pórovitost• pórovitost materiálu je definována jako poměr objemu pórů
(dutin) k celkovému objemu materiálu.
[-], [%]
Otevřená pórovitost část celkové pórovitosti zahrnující tzv. otevřené póry, tj. póry spojené s povrchem látky či materiálu
- otevřené póry mohou vznikat např. únikem plynů během výroby (lehčené materiály), postupným odpařováním(vysušováním) vody z materiálů (beton, omítky, keramika, cementové kompozity), záměrným provzdušněním (lehké betony) a napěněním materiálů (perlit)
VVo
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Otevřené póry díky spojení s vnějším prostředím, ve které se materiál nachází, přímo ovlivňují:
• navlhavost a vysychavost materiálů
• schopnost difúze kapalin a plynů materiály
• zvukově izolační vlastnosti (schopnost pohlcovat zvuk)
• tepelně izolační vlastnosti (schopnost vést a akumulovat teplo)
• mechanické vlastnosti (velmi důležité – přínos materiálového inženýrství) – např. vývoj nových typů vysokohodnotných a vysokopevnostních betonů
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
uzavřená pórovitost část celkové pórovitosti zahrnující tzv. uzavřené póry (nespojené s povrchem – neúčastní se transportních procesů)
- uzavřené póry vznikají např. slinutím keramického střepu a neumožňují přijímat do objemu materiálu vzdušnou vlhkost
- póry nejsou jednoduché kapiláry, ale jejich tvar je složitý a proměnlivý - proto se pórovitost materiálu popisuje pomocí distribuce pórů, což je funkce stanovující velikost a rozdělení pórů
- pro její určení se používají různé metody, např. porozimetriertuťová či sorpce plynů, elektronová či optická mikroskopie, nasávání či vytěsňování kapalin
- pórovitost popisuje také měrný povrch, který se může stanovit provzdušňovací metodou, nebo adsorpcí dusíku metodou BET
- celkovou pórovitost materiálu můžeme vypočítat dle rovnice
100*(1 )vc
mat
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Materiál Pórovitost [% obj.]
Cihly pálené 20 - 37
Malta cementová 31
Malta vápenná 41
Sádra 51 - 66
Písek 39
Mramor 2 - 3
Pískovec 1 - 31
Vápenec 31
Břidlice 1,5 – 2,5
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Z hlediska transportních procesů jsou porézní látky klasifikovány podle velikosti pórů – distribuční křivky pórů
- velikost pórů ovlivňuje zaplňování pórů vodou či jinými látkami vlivem působení absorpčních a kapilárních sil (zakřivení a tvary menisků pórů)
příklad distribuční křivky pórů pro vzorek betonu (převládají kapilární mikropóry)
10000Ř / nm
1 1000010 10000100 100001000 10000
0.08V P
ore /
cm
3 g-1
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
·10-3
dV/dŘ
/ cm
3 nm-1
g-1
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
·10-3
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Distribuce pórů – distribuční a kumulativní křivky
malty s částečnou náhradoukameniva podroštovoupopelovinou
Označení Složení testovaných sanačních omítekVodní
součinitel
VO Vápenný hydrát, křemičitý písek frakce 0/2 mm 0,250
S1 Vápenný hydrát, portlandský cement, vápencová drť, přísady 0,175
S2 Bílý cement, vápencová drť, perlit, přísady 0,175
S3 Vápenný hydrát, cement, perlit, omítkový písek, přísady 0,330
S4 Vápenný hydrát, cement, perlit, omítkový písek, přísady 0,375
S5 Vápenný hydrát, cement, minerální plnivo, přísady 0,230
S6 Vápenný hydrát, cement, minerální plnivo, přísady 0,220
Typ omítky Objemová hmotnost Hustota Otevřená pórovitost
kg m-3 %
VO 1 650 2 605 36,70
S1 1 671 2 674 37,50
S2 1 251 2 608 52,00
S3 1 030 2 464 58,20
S4 1 023 2 492 58,95
S5 1 199 2 504 52,10
S6 1 236 2 564 51,80
Rozdělení pórů dle velikosti
• submikroskopické (ultrakapilární) póry – poloměr < 10-9 m, rozměry těchto pórů jsou porovnatelné s rozměry molekul, mohou se zde vytvářet řetězce vody a voda se nemůže těmito pór pohybovat
• kapilární póry – rozměr 10-9 – 10-3 m, voda a plyny se zde chovají jako v soustavě kapilár, pohyb vody je vyvoláván povrchovým napětím (kapilárními silami)
rozdělení kapilárních pórů (orietnační hodnoty):• kapilární mikropóry: 2 . 10-9 – 2 . 10-6 m• kapilární přechodové póry: 2 . 10-6 – 60 . 10-6 m • kapilární makropóry: 60 . 10-6 – 2 . 10-3 m
• makropóry a vzdušné póry – již se neuplatňují kapilární síly neboť dutiny (póry) jsou příliš rozsáhlé, převládá vliv gravitace
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
• Cementové pasty s částečnou náhradou cementu vypáleným kalem z čistírny odpadních vod
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Substance Amount [mass %]
SiO2 22.85Al2O3 8.89Fe2O3 5.89CaO 25.41MgO 5.36SO3 6.73ZnO 0.26Na2O 4.83K2O 1.47TiO2 1.00P2O5 12.54Cl 4.14Σ 99.37
MaterialBulk density
Matrix density
Total open porosity
[kg/m3] [kg/m3] [m3/m3]GR-ref 1 686 2 197 0.23GR-10 1 597 2 168 0.26GR-20 1 560 2 199 0.29GR-30 1 494 2 203 0.32GR-60 1 350 2 211 0.39
MaterialCompressive strength
Bending strength
Dynamic Young’s modulus
[MPa] [MPa] [GPa]GR-ref 61.8 10.6 20.4GR-10 59.0 9.5 16.5GR-20 48.9 8.2 15.1GR-30 44.9 7.3 13.6GR-60 28.7 5.9 9.0
Model a b R2
Balshinfc = a(1 – ψ)b 151.3 3.24 0.9983
Ryshkewitchfc = a exp–bψ 189.5 4.63 0.9978
Schillerfc = – a ln ψ –b
66.3 32.2 0.9983
Hasselmannfc = a – bψ 113.9 217.5 0.9990
0
2
4
6
8
10
12
0
10
20
30
40
50
60
70
0.15 0.25 0.35 0.45B
endi
ng s
tren
gth
[MPa
]
Com
pres
sive
str
engt
h [M
Pa]
Porosity [-]
compressivestrength
bendingstrength
Klasifikace pórů
Mezerovitost (M)• vlastnost zjišťovaná u sypkých materiálů• vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému
objemu určitého množství sypké látky• veličina závislá na sypné hmotnosti
Vh – objem vlastního materiálu bez všech dutin, pórů a mezer
Vp – objem pórů
RD – objemová hmotnost zrn kameniva dle ČSN EN 1097-6
s – sypná hmotnost
v
sphphm
VVV
VVVV
VVM
11
Zrnitost a měrný povrch
• jedna ze základních vlastností sypkých látek
• poměrná skladba zrn jednotlivých velikostí – granulometrie (sítový rozbor - křivka zrnitosti, malá zrna se většinou měří sedimentací dle Stokesova zákona – měření rychlosti sedimentace a následný výpočet poloměru částic, u malých zrn měření pomocí laserové difrakce)
Zrnitost ovlivňuje následující parametry:
• mezerovitost• sypnou hmotnost• propustnost• stlačitelnost a další mechanické parametry• tepelné a akustické vlastnosti
Měrný (specifický) povrch – vyjadřuje celkovou povrchovou plochu všech zrn jednotkového množství látky, rozměr je udáván v (m2/kg), použití např. při klasifikaci jemnosti mletí cementu (běžné cementy 250 – 350 m2/kg, zeolity 850 m2/kg) – BET izoterma, Blainůvpřístroj
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Distribuce velikosti částic
• možnost využití laserové difrakce – měření úhlu odrazu laserových paprsků
• zařízení Analysette 22 Micro Tec plus (Fritsch), měřící rozsah 0.08 – 2000 m
• zelený laser slouží pro měření malých částic
• IR laser měří větší částice
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
distribuce velikosti částic pro cement CEM I 42.5 R a směsný cement se zeolitemK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
distribuce velikosti částic pro cement CEM I 42.5 R a tepelně upravený kal z čistírny komunálního odpadu
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 1 000.00 10 000.00
Volu
me
[%]
Particle size [m]
Sewage sludge
CEM I 42.5R
Vlhkostní vlastnosti stavebních materiálů
• vlhkost pórovitých materiálů, nasákavost, vzlínavost,sorpční izotermy, retenční křivky vlhkosti, navlhavost,vysychavost, součinitel difúze, faktor difúzního odporu,ekvivalentní difúzní tloušťka materiálu, propustnost(permeabilita), vlhkostní vodivost
velmi důležité parametry, které mohou být přinesprávném použití materiálů v konstrukcích zdrojemporuch (vliv na hygienické parametry obytných prostor, nanáklady na vytápění a na životnost a trvanlivost konstrukce)
vlhkostní vlastnosti přímo ovlivňují další materiálovévlastnosti jako je objemová hmotnost, mrazuvzdornost,tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, pevnost,deformace, dotvarování atd.
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
přímá vazba k porézní struktuře materiálů (velikost a objem pórů), významné zejména pro následující typy materiálů:
• tepelně-izolační materiály• sádrové bloky, sádrokarton• keramické materiály• betony (betonové vany, podkladní betony), pórobetony• omítky (sanační, tepelně-izolační)• nátěry a další povrchové vrstvy a úpravy• materiály pro hydroizolace
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Vlhkost pórovitých materiálů• pórovité stavební materiály se prakticky v suchém stavu
nevyskytují – i v případě, že jsou trvale zabudovány v konstrukcích
Formy vlhkosti v materiálech:• volná voda (vyplňuje velké póry a dutiny)
• fyzikálně vázaná (van der Waalsovy síly) – fyzikální sorpce
• kapilární voda (tvoří výplň malých pórů a kapilár)
• adsorbovaná voda (vyplňuje nejmenší póry a pokrývá stěny porézního prostoru)
• chemicky vázaná voda (tvoří součást základní mřížky materiálů, např. jako voda krystalová, sádra – vysoušení, anhydrit) - chemisorpceK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
Rozdělení vlhkosti v materiálu podle zdroje vlhkosti:
o vlhkost výrobní (technologická, počáteční), dána mokrými procesy při výrobě materiálu
o vlhkost zemní – transportována do materiálu na principu kapilárního vzlínání (významná v objektech bez horizontální izolace nebo s nefunkční hydroizolací)
o sorpční vlhkost – přijímána materiály z okolního vzduchu
o zkondenzovaná voda, která se sráží jak na povrchu tak uvnitř materiálu (konstrukcí) – vodní páry z interiérového vzduchu, vodní páry prostupující konstrukcemi obvodových plášťů
o provozní vlhkost – závislá na typu využití prostorů, vytápění a větrání (chladící haly, toalety, mokré průmyslové provozy, atd.)
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Rozdělení vlhkosti v z pohledu jejího časového vývoje –vlhkost se mění nejen během výroby, ale i po celou dobu životnosti materiálu či konstrukce
o výrobní vlhkost – po krátkém čase (v případě mokrých výrobních procesů) významně klesá
o skladovací vlhkost – ovlivňuje způsob následného zpracování materiálu
o trvalá vlhkost – trvalá vlhkost je charakteristická pro materiály zabudované do konstrukce – kritická vlhkost –maximální přípustná vlhkost materiálu zabudovaného do konstrukce, po překročení této hodnoty materiál podstatně mění své vlastnosti (pevnost, objem, tepelnou vodivost, chemické vlastnosti apod.) do té míry, že jeho další použití je nevhodné a nebezpečnéK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
DEFINICE A KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI
Hmotnostní vlhkost
- mw hmotnost vlhkého vzorku materiálu [kg, g], md hmotnost vysušeného materiálu [kg, g], mk hmotnost vody [kg, g], whhmotnostní vlhkost [%hm.]
Objemová vlhkost
- Vw objem vody [m3], Vd objem suchého materiálu [m3], w objemová hmotnost vody [kgm-3], d objemová hmotnost suchého materiálu [kgm-3]
%100%100
d
k
d
dwh m
mm
mmw
( )100% . 100% . 100% .w w d h dv
d w d w
V m m ww vol vol volV V
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE
DEFINICE A KLASIFIKACE OBSAHU VLHKOSTI II
Parciální hustota vody
[kg/m3]
- mw je hmotnost vody v měřeném vzorku[kg],V je objem vzorku[m3]
Stupeň nasycení
[%,-]
- wh je hmotnostní vlhkost a wsat je hmotnostní vlhkost v saturovaném stavu (při plném nasycení)
Vmw
w
sat
h
ww
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Transport vlhkosti:
• sorpcí vodní páry• difúzí vodní páry• kapilárními silami– vlhkostní vodivostí
Sorpce vlhkosti:- přijímání vlhkosti pohlcováním vodní páry ze vzduchu
adsorpce – způsobena mezimolekulárními van der Waalsovými silami, kterými se navzájem přitahují molekuly pevných látek a vodní páry, adsorpce vede ke vzniku molekulárních vrstev vodní páry na stěnách pórů
absorpce – kapalná nebo plynná fáze se vstřebává difúzí a vedením vlhkosti dovnitř tuhé fáze
chemisorpce – uplatnění chemických vazeb vody a tuhé fáze materiáluK
ATED
RA
MAT
ERIÁ
LOVÉ
HO
INŽE
NÝR
STVÍ
A C
HEM
IE
- rovnovážná sorpční vlhkost – materiál nevykazuje v čase přírůstek ani úbytek vlhkosti
- hygroskopická vlhkost – vzniká v materiálu v případě, že okolní vzduch je plně nasycen vodními parami (maximální rovnovážná sorpční vlhkost)
Stanovení sorpční izotermy – parametr akumulace plynné vlhkosti
- vyjadřuje závislost mezi obsahem vlhkosti v materiálu a relativní vlhkostí (princip vodní aktivity)
sorpční proces má tři fáze:
- povrchová adsorpce při nižších hodnotách relativní vlhkosti (Lagmuirova oblast adsorpce)
- multimolekulární adsorpce- kapilární kondenzace – relativní vlhkost více než 40%, u
pórů o rozměru 2 – 50nm (Thomson-Lord Kelvin)KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Kapilární kondenzace
Multimolekulární adsorpce
Monomolekulární adsorpce
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Měření sorpčních izoterem
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Příklady roztoků solí pro simulaci specifických hodnot relativní vlhkosti.
Salt
Temperature/Relative humidity Number of references
20°C 23°C 25°C
Silica gel 0.05 0.05 0.05 1
LiCl0.113±0.0031 0.113±0.0028 0.113±0.0027 1,3,4
0.111 - 0.111 2
MgCl2.6H2O 0.3307±0.0018 0.329±0.0017 0.3278±0.0016 1,2,3,4
K2CO3 0.441 - 0.440 1
NaNO2 0.654 - 0.643 2,3
NaCl0.7547±0.0014 0.7536±0.0013 0.7529±0.0012 1,2,4
- - 0.751 3
NH4Cl 0.7923±0.0044 0.7883±0.0042 0.7857±0.0040 1
KCl0.8511±0.0029 0.8465±0.0027 0.8434±0.0026 1,4
- - 0.842 3
KNO3 0.932 - 0.920 4
K2Cr2O7 0.970 - 0.970 1
K2SO4
0.979 - 0.976 2
- - 0.97 3
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Příklad výstupu DVS analýzy
Sorpční izoterma pálené cihly, pórobetonu a opuky.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
f[-]
u[kg
kg-1
]
BRI
AACI
CML
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Sorpční a desorpční izoterma Micronalu DS 5008 x
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Cha
nge
In M
ass
(%) -
Ref
Target % P/Po
DVS Isotherm Plot
Cycle 1 Sorp Cycle 1 Desorp Cycle 2 Sorp
© Surface Measurement Systems Ltd UK 1996 2009
DVS - The Sorption Solution
Temp: 20.0 °CMeth: 20C_Step10_0_0004_120_min_3cycles.saoMRef: 0.126871
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Sorpční a desorpční izoterma pórobetonu P2 400
-1
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120
Cha
nge
In M
ass
(%) -
Ref
Target % P/Po
DVS Isotherm Plot
Cycle 1 Sorp
© Surface Measurement Systems Ltd UK 1996 2009
DVS - The Sorption Solution
Date: 10 Jan 2011Time: 8:01 pmFile: P2_400_H1_20C -Mon 10 Jan 2011 20-01-52.xlsSample: P2_400_H1_20C
Temp: 20.3 °CMeth: 20C_Step10_0_0004_120_min_98%.saoMRef: 0.681122
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
omítka s materiálem s tepelnou fázovou změnou
KAT
EDR
A M
ATER
IÁLO
VÉH
O IN
ŽEN
ÝRST
VÍ A
CH
EMIE
Pavlík, Z. - Trník, A. - Keppert, M. - Pavlíková, M. - Žumár, J. – Černý, R., Experimental Investigation of the Properties of Lime-Based Plaster-Containing PCM for Enhancing the Heat-Storage Capacity of Building Envelopes, International Journal of Thermophysics. 2014, vol. 35, no. 3-4, pp. 767-782.