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.