materiálů, voda, adsorpce

Transkript

1 Materiálové struktury, vlastnosti materiálů, voda, adsorpce Dřevěné konstrukce 2

2 Klíč k hlubšímu pochopení chování konstrukcí: materiálové inženýrství

3 Základní typy struktur stavebních materiálů Pro základní orientaci je užitečné rozlišovat následující typy materiálových struktur a jimi generovaných pórových systémů: Kompakty(skla, kovy, plasty,..) Struktury kapilárně pórovité (cihly, malty, betony, ) Struktury vláknité (minerální izolace, dřevovláknité desky, ovčí vlna..) Struktury partikulární (písky, štěrky, perlit, zásypové materiály, základové půdy.) Struktury celulární (pěny polystyrén, polyuretan, sklo, fenoly ) Organické struktury (rostlé dřevo a jeho deriváty jako překližka, dřevotříska, OSB, schránky mlžů-perleti,.). Rozlišovací úroveň je zpravidla terčík o průměru několika milimetrů a menší hovoříme o mikrostruktuře stavebních materiálů.

4 Kapilárně pórovité materiály Charakteristické rysy: Pevný skelet protkaný sítí kapilár, dutin, puklin Obvykle stochasticky homogenní Pevnosti, tuhosti

5 Mikrostruktura typických hydrátů obsažených v cementu

6 Vláknité materiály Charakteristické rysy: Systémy vláken (přímá, zakřivená, zkadeřená vlákna) Stochasticky homogenní nebo pseudoplanparalelní Prakticky nulové pevnosti, tuhosti, izolační schopnosti

7 Partikulární materiály Charakteristické rysy: Systémy částic (partikulí) Stochasticky homogenní pevnosti, tuhosti v tlaku (smyku) Jílové částice řádově 0,1-1 μ

8 Celulární materiály Charakteristické rysy: Systém buněk (propojených, nepropojených) Stochasticky homogenní Izolační schopnosti (pevnosti)

9 Organické struktury Charakteristické rysy: Organizované systémy stavebních jednotek Stochasticky homogenní, ale nikoliv izotropní pevnosti, tuhosti, anizotropie vlastností Organizované struktury jsou snem materiálových inženýrů.

10 Organické struktury: perleť Organizace, organizace..

11 Stochastický charakter vlastností Všechny charakteristiky mikrostruktury mají stochastický charakter. Například stereometrické charakteristiky: Počet pórů na řezu materiálem Rozdělení pórů na řezu materiálem podle plochy Počet vláken, partikulí nebo buněk v jednotce objemu Početní zastoupení partikulípodle velikosti (např. podle největšího rozměru) Obsah plochy uvnitř materiálu (vnitřní povrch) Počet mikrotrhlin na jednotku plochy řezu Objem volného prostoru ve vzorku (pórovitost). i makroskopické technické vlastnosti mají stochastický charakter. Důsledkem této skutečnosti je, že se při navrhování konstrukcí stále více setkáváme s metodami matematické statistiky a teorie pravděpodobnosti. Viz například filosofie mezních stavů při navrhování konstrukcí.

12 Reprezentativní kontrolní objem (RKO) RKO je takový nejmenší objem ΔV materiálu, u kterého ještě zůstává charakteristika A (která se na ΔV zjišťuje) stochasticky konstantní. Velikost RKO je nutné stanovit empiricky. Skutečně odebíraný vzorek pro ověřování vlastností nesmí být menší než RKO. Smysl určování RKO: postihnout tzv. kolektivní vlastnosti materiálů, které se projevují až od určité velikosti vzorků.

13 Příklad: RKO vláknité struktury Se zmenšováním RKO se část informace o materiálu (o jeho kolektivních vlastnostech) nutně ztrácí.

14 Obecné pojmenování struktur Homogenní struktura: parametry RKO nejsou závislé na místě odběru vzorku(poloze vzorku v tělese). Izotropní struktura: parametry RKO nejsou závislé na směru, v němž je zjišťujeme. Příklad 1: homogenní izotropní struktury jsou např. cihlová keramika, pórobetony, betony, malty, omítky!velkýrozdílvevelikostirko! Příklad 2: homogenní anizotropní struktury jsou např. dřevo, sedimentárnízeminy,břidlice,. Příklad 3: nehomogenní struktury jsou např. skládky materiálů, smíšená nebo injektovaná zdiva atd.

15 Strukturní charakteristiky materiálů I. Pórovitost π(celková, otevřená, uzavřená) (-) Vnitřní povrch σ(m 2 /kg, m 2 /m 3 ) Pórovitost π π= V p / V ( -) Často se ještě vyhodnocuje otevřená pórovitost π o a uzavřená pórovitost π u : podíl objemu otevřených póru V p,o resp. ObjemuuzavřenýchpórůV p,u kcelkovémuobjemu: π o =V p,o /V (-) π u =V p,u /V (-) Zřejměmusíplatit π=π o + π u.

16 Strukturní charakteristiky materiálů I. Hustota pevné fáze (skeletu): ρ (kg/m 3 ) Hustoty hlavních materiálových bází stavebnictví se příliš nemění. Silikátová báze: kg/m 3 Organická báze: kg/m 3 Polymerní báze: kg/m 3 Objemová hmotnost m v materiálu (kg/m 3 ) =hmotnost včetně pórů, tedy (vztaženo na kubík) m v =(m s +m a )/1 m s kdem s jehmotnostskeletuam a jeobjemvzduchuvpórechmateriálu(vše na jednotkovém objemu). Udává se v suchém stavu (nebo udat RH prostředí). Přibližný vztah objemové hmotnosti a pórovitosti (vyjma velmi lehkých materiálů): (1-π).ρ= m s m v takže celkem platí π 1-m v /ρ Odhad pórovitosti materiálu lze tedy provést s minimem informací.

17 Makroskopický popis materiálu Pro potřeby stavební praxe jde o tyto základní skupiny technických vlastností: Strukturní vlastnosti (hustota a objemová hmotnost, pórovitosti, vnitřní povrch.) Mechanické vlastnosti (pevnosti, tuhosti, tvrdosti, plasticita, časově závislé chování, lomy ) Dilatometrické vlastnosti (objemové změny z různých příčin) Tepelné vlastnosti(vodivosti a kapacity) Vlhkostní vlastnosti (difuzivity, nasákavosti, kapilární vlastnosti, rovnovážné vlhkosti ) Speciální vlastnosti (zdravotní nezávadnost, chemická odolnost, požární odolnost,..

18 Hlavní fenomén u biomateriálů: voda Voda v okolním prostředí jako základní faktor dlouhodobého chování materiálů a konstrukcí biologické báze, zejména: Struktura: změna π o Mechanika: změna dlouhodobého chování (reologie), např. průhyby, změny pevností, tuhostí Dilatometrie: bobtnání/sesychání Teplo: změna tepelné vodivosti a kapacity Vlhkost: změna rovnovážné vlhkosti, difuzivity.. Trvanlivost: startování a zastavování biologických degradačních procesů. Požární odolnost: samohašení vlhkého dřeva.

19 Molekula vody a její vlastnosti Základní charakteristiky: malá (průměr asi 2,8 Å), relativně lehká, polární (vytváří relativně silný dipól), Asociace molekul vody vlivem vodíkového můstku. Vodíkový můstek: vodík je schopen vázat se (slaběji) i na druhou záporně nabitou částici (např. vhodně orientovanou molekulu vody).

20 Vliv vodíkového můstku Částice látek(plyn, kapalina, pevná fáze) navzájem vázány: Chemickými vazbami (energie vazby kj/mol): vesměs zodpovědné za stabilní sloučeniny chemických prvků Nevazbovými interakcemi (elektrostatika, Van der Waalsovy síly, energie vazby 0,1-10 kj/mol): často odpovědné za povrchové jevy jako adsorpce, kohezní síly, kapilarita ). Vodíkovými můstky-vazbami (energie vazby kj/mol): zesiluje obvyklé nevazbové interakce, způsobuje navenek anomálie v chování látek Voda- polární molekula polární kapalina(vodíkové můstky): Vodíková vazba způsobuje zvětšení mezimolekulárních přitažlivých sil, což silně ovlivní fyzikálně-chemické vlastnosti látek (teploty tání a varu, hustoty, viskozity všechny se zvyšují. Díky vodíkové vazbě má voda teplotu varu 100 C, zatímco sulfan(velmi podobná molekula, která však vodíkové vazby nevytváří) vře při 60,75 C. Vysoká skupenská tepla tání a odpařování, tj. velké množství dodané energie na skupenskou změnu. Umožňuje např. efektivní ochlazování teplokrevných živočichů(pocení). Vysoká tepelná kapacita(stabilizátor globálního klimatu, topné médium.)

21 Molekuly suchého vzduchu a vody Plynnálátka Chemická značka Objemový podíl (%) ve vzduchu Molární hmotnost (g/mol) Průměr molekuly (Angströmy) Dipólový moment (C.m) Dusík N 2 78,09 28,01 3,14 (3,16-4,0) 0 Kyslík O 2 20, ,9 (2,96 3,75) 0 2 Argon Ar 0,93 39,95 3,67 Oxiduhličitý CO 2 0, ,24 (4,26) 0 Neon Ne 0, ,179 Helium He 0, ,48 (2,0) Krypton Kr 0, ,8 Xenon Xe 0, ,3 Vodík H 2 0, ,016 2,76 (2,18) 0 Ozón O 3 0, ,77 Vodní pára H 2 O 0-2 (20 C) 18,01 2,88 (2,72) 6,23 Formaldehyd CH 2 O 30,3 4,2 7,77

22 Povrchové interakce Na površích pevné i kapalné fáze existují částice (atomy nebo molekuly), které mají nevykompenzovaná silová pole (součet interakčních sil není nulový). Dosah interakčních sil je velmi malý, asi do 100 Å; pole zasahuje do sousedního prostředí a snaží se vykompenzovat tím, že na sebe naváže částice z tohoto prostředí. Vzniká tak vrstvička při povrchu pevné resp. kapalné fáze, která má odlišné vlastnosti. Označujeme jako povrchové jevy.

23 Povrchové jevy na pevné fázi -adsorpce Pevná látka plyn / pevná látka -kapalina Intenzívní interakční pole pevné fáze vznik vrstvičky adsorbovaných molekul Při adsorpci ze směsí plynů mají přednost polární molekuly (silnější interakce) proto se vodní pára adsorbuje na pevné povrchy přednostně. Adsorbovaná vrstvička látky(obvykle několik málo vrstev molekul) může mít výrazně odlišné vlastnosti. Odhaduje se, že hustota adsorbované vodyjeaž1800kg/m 3. Povrchové částice (stejně jako vnitřní) kmitají s frekvencí řádu až kmitů/sekundu.

24 Adsorpce a její mechanismus Pórovitý materiál má při rh=0 zcela nevysycenépovrchové síly Při styku s vodními parami (preferenční adsorpce, polární molekula) se nejprve na povrchu pórů vytvoří monomolekulární vrstva. Při rostoucí rhse vytvářejí další vrstvičky molekul vody, tzv. polymolekulární adsorpce. Pokud se spojí protilehlé molekuly na stěně póru, vznikne kapilární kondenzace. Podle charakteru pórů (malé póry) může dojít k jejich zalití vodou.

25 Mechanismus adsorpce v jednom póru

26 Rozbor tvaru sorpční izotermy Velká část stavebních materiálů má sorpční izotermu typu S. Tato izoterma má tři charakteristické oblasti s důležitou fyzikální interpretací.

27 Voda jako adsorbáta jako kapalima Ze sorpční izotermy lze přibližně stanovit rovněž množství vody vázané hygroskopicky jako kapaliny, prodloužením přímky polymolekulární adsorpce. Příklad: smrkové dřevo Maximální hmotnostní vlhkost je0,35 kg vody/kg dřeva, tedy u v =ρ s. u m,max =420.0,35=147 kg vody/m 3 suchého dřeva Ve formě adsorbátuje z toho vázáno 15%, tj ,15=63kg/m 3 Ve formě kapilárního kondenzátu (voda) je vázáno 35-15=20%, tj ,2=84kg/m 3 Podíl kapilárně kondenzované vody prudce roste, když se rhblíží 100%.

28 Sorpční izoterma smrkového dřeva, vliv teploty Podobné pro všechny deriváty dřeva (aglomerované dřevo, dřevovláknité deskyatd.). Udává závislost množství vody v materiálu na relativní vlhkosti prostředí za izotermních(a izobarických) podmínek. Vodní pára se do materiálu dopravuje převážně difúzí pomalý proces: čím větší objem materiálu, tím déle se uvádí do rovnovážného stavu.

29 Rovnovážná vlhkost materiálů Rovnovážná vlhkost je hmotnost vody, kterou si materiál na sebe naváže z okolního ovzduší (vzduchosuchémateriály). Vyjadřuje se obvykle v kg / kg(kg vody na kg suchého materiálu, vesměs x100 v procentech); značíme u m kg/m 3 (kg vody na m 3 suchého materiálu, vesměs x100 v procentech); značíme u v Převodní vztah u v =ρ s. u m, kde ρ s je objemová hmotnost suchého materiálu. Rovnovážná vlhkost daného materiálu: Klesá s rostoucí teplotou okolního prostředí a naopak (nepřímá závislost) Roste s rostoucí vlhkostí vzduchu okolního prostření (přímá závislost). Rovnovážná vlhkostpředevším souvisí s adsorpcí a jevy s ní bezprostředně sdruženými (kapilární kondenzace). Základní charakteristikou rovnovážné vlhkosti v materiálech je jejich sorpční izoterma.

30 Strukturní charakteristiky II: vnitřní povrch Vnitřní povrch lze jako orientační hodnotu stanovit z monomolekulární adsorpce. 1. Počet molekul v monovrstvěn mono = hmotnost molekul v monovrstvěm mono / hmotnost jedné molekuly m 1 2. Vztah pro vnitřní povrch je tedy: S int = M mono. S 1 / m 1 Hodnota M mono může být na jednotku hmotnosti nebo objemu. Podle toho rovněž vyjde povrch. Pro vodu můžeme použít následující hodnoty: m 1 =18, /N A = kg / molekulu vody S 1 = 7,183 nebo 9,61 nebo 10, m 2 / molekulu vody

31 Vnitřní povrch-kvalitativní odhady Zřejmě 1: čím větší vnitřní povrch, tím větší množství adsorbované vodní páry čím intenzivnější jsou povrchové interakce, tím větší počet vrstev molekul se na povrch nachytá páry rovnovážná vlhkost je úměrná velikosti vnitřního povrchu a intenzitě povrchových silových interakcí. Zřejmě 2: Čím vyšší bude teplota pevné látky, tím větší bude amplituda kmitání jejího povrchu a tím nesnadnější bude se na něm uchytit. Čím vyšší bude teplota páry, tím větší kinetickou energii bude mít molekula vodnípáry,atedytímobtížnějšíbudepropevnýpovrchjilapit. rovnovážná vlhkost bude s rostoucí teplotou klesat, s klesající teplotou růst. Zřejmě 3: Za dané pevně zvolené teploty bude počet molekul zachycených na daném povrchu úměrný počtu molekul vodní páry ve vzduchu (tj. počtu nárazů molekul na jednotku plochy za jednotku času). rovnovážná vlhkost bude (při konstantní teplotě) růst s rostoucí relativní vlhkostí.