Właściwości materiałów budowlanych

1. Wiadomości ogólne
W budownictwie stosuje się wiele różnych materiałów o określonych właściwościach decydujących o ich zastosowaniu. Właściwości te, zwane także cechami technicznymi materiału, można podzielić na trzy zasadnicze grupy:
a) fizyczne,
b) mechaniczne,
c) chemiczne.
Ustalenie właściwości materiału wymaga wykonania badań laboratoryjnych. Sposoby oznaczania różnych cech materiałów oraz ocenę ich jakości i przydatności, a także typy i rodzaje materiałów budowlanych, podano w obowiązujących normach.
W Polsce ze względu na zakres obowiązywania i znaczenie dla gospodarki narodowej rozróżnia się:
a) normy europejskie (EN) – obowiązujące powszechnie,
b) normy polskie (PN) – obowiązujące powszechnie,
c) normy branżowe (BN) – obowiązujące
w określonej branży,d) normy zakładowe (ZN) – obowiązujące
w przedsiębiorstwach.
Na przykład oznaczenie normy PN-EN-08/B-6250 można wyjaśnić następująco: PN-EN - europejska norma obowiązująca w Polsce,
08-rok ustanowienia 2008,
B - dziedzina: budownictwo,
6250 - kolejny numer normy.
Praktyczny dobór materiałów budowlanych do wykonania określonych elementów budowli odbywa się na podstawie znajomości ich cech technicznych oraz oceny jakości i przydatności tych materiałów.
Jakość materiałów budowlanych
w decydującym stopniu wpływa na jakość wykonanych elementów i całej budowli oraz właściwą ich eksploatację i trwałość.

2. Podstawowe właściwości materiałów budowlanych

2.1. Cechy fizyczne
Do podstawowych cech fizycznych zaliczamy: gęstość, gęstość pozorną, szczelność, porowatość, wilgotność, nasiąkliwość, przesiąkliwość, kapilarność, higroskopijność, przewodność cieplną, odporność na zamrażanie, odporność ogniową i ogniotrwałość.

Gęstość materiału Ǫ (czytaj ro) określa się stosunkiem masy materiału do jego objętości bez porów. Wartość tę oblicza się ze wzoru
Ǫ=m/V_a [g/〖cm〗^3 ,kg/〖dm〗^3 ,t/m^3 ]
w którym:
m – masa próbki w gramach,
V_a - objętość próbki bez porów w 〖cm〗^3.
Znając gęstość materiału można określić jego szczelność lub porowatość oraz inne właściwości.

Gęstość pozorna materiału Ǫ_p jest to stosunek masy materiału do jego objętości łącznie z porami określony ze wzoru
Ǫ_p=m/V_n [g/〖cm〗^3 ]
w którym:
m – masa próbki w gramach,
V_n - objętość próbki w stanie naturalnym w 〖cm〗^3
Gęstość pozorną oznacza się metodą bezpośrednią lub metodą hydrostatyczną. Metodę bezpośrednią stosuje się wówczas, jeśli można pobrać próbki o kształcie prostej bryły geometrycznej (sześcian, walec itp.).
Metodą hydrostatyczną oznacza się gęstość pozorną materiałów, z których nie można pobrać próbek o kształtach regularnych.
Szczelność materiału określa się stosunkiem gęstości pozornej do gęstości materiału i oznacza, jaką część całkowitej objętości zajmuje sama masa badanego materiału bez porów. Szczelność oblicza się ze wzoru
S=Ǫ_p/Ǫ*100%
w którym:
Ǫ_p - gęstość pozorna w kg/m^3,
Ǫ - gęstość w kg/m^3.

Porowatość materiału określa, jaką część całkowitej jego objętości stanowią pory
i oblicza się ją ze wzoru
P = (1 – S) x 100 %
w którym:
S – szczelność materiału.

Wilgotność materiału określa się stosunkiem masy wody zawartej
w badanym materiale do jego masy
w stanie suchym. Wilgotność oblicza się według wzoru
W=(m_w-m_s)/m_s *100 %
w którym:
W – zawartość wilgoci w %,
m_w- masa materiału w stanie wilgotnym w gramach,
m_s- masa materiału w stanie suchym w gramach.

Nasiąkliwość jest to zdolność pochłaniania wody przez materiał; ta ważna właściwość materiału decyduje o jego przydatności do celów budowlanych. Nasiąkliwość zależy od szczelności materiału, rodzaju porów oraz ich wielkości. Rozróżnia się nasiąkliwość wagową i objętościową.
Nasiąkliwość wagowa jest to stosunek masy wody pochłoniętej przez materiał do jego masy w stanie suchym. Wyrażony
w procentach. Nasiąkliwość wagową obliczymy ze wzoru
n_w=(m_w-m_s)/m_s *100[%]
w którym:
m_w - masa materiału nasyconego wodą w gramach,
m_s - masa materiału w stanie suchym w gramach.
Nasiąkliwość objętościowa wyrażona jest stosunkiem objętości wody pobranej przez badany materiał do objętości tego materiału w stanie suchym. Nasiąkliwość objętościową oblicza się ze wzoru
n_o=(m_w-m_s)/V*100[%]
w którym:
m_w - masa materiału nasyconego wodą w gramach,
m_s - masa materiału w stanie suchym w gramach.
V – objętość materiału w 〖cm〗^3.

Przesiąkliwość jest to zdolność przenikania przez materiał wody pod ciśnieniem. Przesiąkliwość określa się stopniem przesiąkliwości, który mierzy się ilością wody przechodzącej przez 1 cm2 próbki w ciągu godziny przy stałym ciśnieniu. Stopień przesiąkliwości wyznacza się m.in. dla materiałów przeznaczonych na pokrycia dachowe, takich jak np. papa lub dachówka.

Kapilarność jest to zjawisko podciągania wody przez kapilary w razie zetknięcia się materiału z wodą. Kapilarność występuje szczególnie wyraźnie w materiałach
o strukturze mikroporowatej z porami otwartymi. Podczas wznoszenia ścian budynku stosuje się izolację przeciwwilgociową, która uniemożliwia kapilarne podciąganie wody z gruntu.

Higroskopijność jest to zdolność szybkiego wchłaniania przez materiał pary wodnej z powietrza. Właściwość ta powoduje, że wilgotność materiału jest zwykle większa od wilgotności otoczenia. Higroskopijność wpływa na zmianę wymiarów lub postaci materiału, np. w drewnie i cemencie.

Przewodność cieplna jest to właściwość przekazywania ciepła od jednej powierzchni materiału do drugiej. Przewodność cieplną określa się współczynnikiem λ, wyrażającym ilość ciepła przechodzącego w ciągu godziny przez przegrodę
o powierzchni 1m2 i grubości 1m, jeżeli różnica wartości temperatury po obu stronach przegrody wynosi 1K. Współczynnik λ zależy od wilgotności, temperatury, porowatości i struktury materiału. W odniesieniu do materiałów stosowanych w budownictwie wynosi on zwykle od 0,035 do 1,75 W/(m .K).
Odporność na zamrażanie jest to zdolność materiału nasyconego wodą do wytrzymania wielokrotnego kolejnego zamrażania i odmrażania bez widocznych oznak rozpadu i wyraźnego zmniejszenia wytrzymałości. Woda zamarzająca
w porach materiału, przemieniając się w lód, zwiększa swą objętość o ok. 10%
i może powodować pękanie lub kruszenie się części materiału.

Odporność ogniowa materiałów budowlanych jest to ich zdolność opierania się wpływom wysokiej temperatury w czasie pożaru. W zależności od czasu, jaki wytrzymuje element
w wysokiej temperaturze podczas badania, kwalifikuje się go do odpowiedniej klasy odporności ogniowej.
Ogniotrwałość jest właściwością dotyczącą materiałów. Do materiałów ogniotrwałych zaliczamy takie, które
w temperaturze większej od 1580oC nie ulegają odkształceniu i rozmiękczeniu; są to np. wyroby szamotowe.

2.2. Cechy mechaniczne
Do podstawowych cech mechanicznych materiałów zaliczamy: wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, zginanie i ścinanie, zdolność rozmiękania, sprężystość, twardość, kruchość i ścieralność.

Wytrzymałość materiału określa się wartością siły, jaką może przenieść jednostka powierzchni materiału obciążonego. Stosunek siły działającej na element do jego powierzchni nazywamy naprężeniem.

Wytrzymałość na ściskanie jest to wartość naprężenia, które powoduje zniszczenie próbki badanego materiału podczas ściskania. Badania przeprowadza się na próbkach o kształcie walca
i sześcianu. Wytrzymałość na ściskanie określa się ze wzoru
R_c=P_n/A[Pa,MPa]
w którym:
Pn – siła niszcząca próbkę w N,
A – przekrój poprzeczny próbki ściskanej w m2, prostopadły do kierunku działania siły.

Wytrzymałość na rozciąganie jest to naprężenie, które powoduje zniszczenie (zerwanie) materiału podczas jego rozciągania. Wytrzymałość na rozciąganie określa wzór
R_r=P_r/A[Pa,MPa]
w którym:
Pn – siła niszcząca próbkę w N,
A – przekrój poprzeczny próbki rozciąganej w m2, prostopadły do kierunku działania siły.

Wytrzymałość na zginanie jest to naprężenie, które określa stosunek niszczącego momentu zginającego do wskaźnika wytrzymałości przekroju elementu zginanego
R_z=M/W[Pa,MPa]
w którym:
M – moment zginający w N.m,
W – wskaźnik wytrzymałości w m3.
M=(P*l)/4[N*m]
P – siła niszcząca w N,
l – rozpiętość belki między podporami w m.
W=〖bh〗^2/6[m^3]
b – szerokość przekroju belki w m,
h – wysokość przekroju belki w m.

Wytrzymałość na ścinanie jest to naprężenie, które powoduje zniszczenie (ścięcie) materiału podczas działania zewnętrznych sił przeciwnie do siebie skierowanych. Wytrzymałość na ścinanie określa się wzorem
R_t=P_t/A[Pa,MPa]
w którym:
Pt – siła tnąca w N,
A – przekrój powierzchni ścinanej w m2.

Sprężystość jest to zdolność materiału powracania do postaci początkowej po usunięciu obciążenia, pomimo że pod obciążeniem materiał zmienił swój kształt. Właściwości sprężyste danego materiału charakteryzuje współczynnik sprężystości.
Twardość jest to odporność badanego materiału na wciskanie w niego ciała o większej twardości. Do badania materiałów kamiennych wykorzystuje się dziesięciostopniową skalę Mohsa. Twardość drewna bada się wciskając w nie stalową kulkę. Twardość metali mierzy się przez wciskanie kulki ze stali hartowanej lub wgłębnika diamentowego.

Kruchość materiału charakteryzuje się jego nagłym zniszczeniem bez wyraźnych odkształceń poprzedzających zwykłe zniszczenie materiału. Kruchość określa się stosunkiem wytrzymałości na rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie. Jeżeli ten stosunek jest mniejszy od 1/8, to materiały zaliczamy do kruchych.

Ścieralność jest to podatność materiału na ścieranie. Właściwość ta zależy od budowy materiału, jego twardości i elastyczności. Ścieralność materiałów kamiennych bada się na tarczy Boehmego. Określenie ścieralności jest szczególnie ważne dla materiałów stosowanych np. na nawierzchnie podłogowe, drogowe, chodnikowe itp.

Opracował: mgr Rafał Miczek