Stavební hmoty Mechanické vlastnosti pokračování Přednáška 4 Povrchová soudržnost Odolnost proti obrušování otěr

Transkript

1 Stavební hmoty Přednáška 4 Mechanické vlastnosti pokračování Povrchová soudržnost otěr (pro malby) - za sucha - za mokra Odolnost proti obrušování - pískem - broky zkouška otěruvzdornosti (ČSN ) O,5 N 2 ot./s měří se čas

2 Obrusnost úbytek materiálu z povrchu při obrusné zkoušce Taber Abraser měří se úbytek hmotnosti při daném počtu otáček Obrusnost Amsler/Böhm měří se obroušený objem v cm 3 brusná dráha 7,07 x 7,07 cm Obrusnost (Amsler / Böhm) Adheze a koheze PODLAHY (DIN 1100) A: 1,5 cm 3 /50 cm 2 B: 3,0 cm 3 /50 cm 2 C: 6,0 cm 3 /50 cm 2 křemen: 9-10 cm 3 /50 cm 2 rula: 4-10 cm 3 /50 cm 2 DLAŽDICE (ČSN ) kamenina: 3,3 cm 3 /50 cm 2 vápenec: cm 3 /50 cm 2 cementová malta: cm 3 /50 cm 2 adheze přilnavost materiálu k podkladu koheze vnitřní soudržnost materiálu adheze < koheze

3 Soudržnost spojení dvou materiálů (ocel + beton, cement + kamenivo) Přídržnost vrstvy k podkladu (omítky, nátěru ) Odtrhová zkouška Odtrhová zkouška přilepení ocelových terčíků proříznutí zkoušené vrstvy po obvodu terče PROŘÍZNUTÍ F TERČÍK LEPIDLO ZKOUŠENÁ VRSTVA PODKLAD

4 Výsledky odtrhové zkoušky Únavová pevnost Důsledek opakovaného namáhání materiálu R a R p R a R v Na rozdíl od pevnosti jednorázové je vlivem postupného narušování struktury stále nižší R a Únava Wöhlerova křivka způsobuje náhlé poruchy konstrukcí po dlouhé době spolehlivého provozu nejčastější příčina provozních havárií postupná inicializace a šíření únavové trhliny únavová trhlina probíhá v mikroskopických objemech materiálu a proto je v provozu často velmi špatně detekovatelná závěrečný lom se proto může objevit neočekávaně a může mít katastrofální následky pokles pevnosti v závislosti na počtu zatěžovacích cyklů

5 Únavové trhliny Únavové zkoušky Co způsobila únava materiálu Velká melasová záplava (Boston,1919) zhroucení těžební plošiny Alexander L. Kielland (Norsko, 1980) InterCity expres (Eschede, 1998) Dynamická pevnost mžiková zatížení most přes úžinu Tacoma (USA,Washington, 1940)

6 Vlhkost Vlhkostní vlastnosti Obsah vody, odstranitelný sušením Jaké množství vody (volné nebo fyzikálně vázané) materiál obsahuje žádný pórovitý materiál se v konstrukci nevyskytuje ve zcela suchém stavu Zdroje vlhkosti Produkce vodních par výrobní (z mokrého výrobního procesu) zemní (z podloží) sorpční (z okolního vzduchu), kondenzační provozní (podle typu provozu)

7 Druhy vlhkosti Časově: počáteční (přirozená, výrobní) skladovací ustálená (trvalá - po delším čase od zabudování cca po 2-7 letech) Změna vlhkosti materiálu v čase Vlhkost hmotnostní Vlhkost objemová w m m m s m H2O w m s m s (*100) w V V H 2 V O m H w 2 O m * V s (*100) m s.. hmotnost suchého vzorku m w..hmotnost vlhkého vzorku m H2O..hmotnost nasáklé vody m s... hmotnost suchého vzorku m w... hmotnost vlhkého vzorku V H2O.. objem nasáklé vody V... objem vzorku

8 Nasákavost Vztah nasákavost - pórovitost vlhkost získaná ponořením maximální množství vody, které v materiálu může být obsaženo nasákavost objemová: % nasákavost hmotnostní: i více než 100 % Při plném nasycení se voda dostane do všech otevřených pórů a zaplní je hodnota objemové nasákavosti = hodnota otevřené pórovitosti Nasákavost některých materiálů Vzlínavost kapilarita schopnost vody vystoupat nad čáru ponoru

9 Vzlínavost v praxi výška, do které voda vystoupá Vzlínavost v laboratoři hmotnostní přírůstek Navlhavost a vysýchavost Navlhavost = vlhkost, kterou materiály mohou přijímat ze vzduchu (sorpční vlhkost) rovnovážná sorpční vlhkost opačný proces vysýchavost Rovnovážná sorpční vlhkost Závisí na: teplotě a vlhkosti a tlaku vzduchu na velikosti a tvaru pórů na předchozí vlhkostní historii

10 Velikost sorpce Hysterezní smyčka Sorpční hystereze vlhkost sušení rovnováha vlhnutí hystereze čas Sorpční křivky Prosákavost

11 Prosákavost zejména u střešních krytin (pálené a betonové střešní tašky) závisí na množství a velikosti kapilárních pórů a trhlinek (velikosti 0,01 0,5 mm) Prosákavost - zkoušení ČSN EN (pálené střešní tašky) : Faktor prosákavosti - množství vody, které prosákne 1 cm 2 plochy tašky za 48 hodin při zatížení 10 cm vody [cm 3.cm -2.den -1 ] Střešní tašky vždy prosáknou - půdní prostor musí být větraný! Doba odkápnutí první kapky z rubu tašky při zatížení sloupcem vody předepsané výšky [hod] Prosákavost - požadavky pálené tašky doba odkápnutí min 4 hod betonové tašky doba odkápnutí min 24 hod Difúzní vlastnosti

12 Difúze transport plynů a par Součinitel difúze δ schopnost materiálu propouštět vodní páru Důležité např. pro: parozábrany protiradonové izolace sanační materiály nátěry pasivní domy jednotky: [ kg/(m.s.pa)] = [s] δ = 0 s - dokonale parotěsné materiály (kovy, sklo, hydroizolace) δ = 0, s rohože z min. látek δ = 0, s - vzduch chlorkaučukový lak Součinitel difúze [.10-9 s] epoxidový lak Difúzní odpor R d polyethylen pryž linoleum PVC dřevo minerální vlna skelná vlna pěnový polystyren malta cementová omítka vápenná cihlové zdivo pórobeton beton vzduch 0 C míra, s jakou konstrukce brání difúznímu prostupu vodní páry R d d odpory jednotlivých vrstev ve vícevrstvých konstrukcích se sčítají

13 Faktor difúzního odporu kolikrát lépe propouští vodní páru nehybná vrstva vzduchu, než stejná tloušťka daného materiálu poměr difúzního odporu materiálu a difúzního odporu vrstvy vzduchu téže tloušťky vzduch materiál = (maximum nepropustné materiály) Ekvivalentní difúzní tloušťka r d (s d ) = µ.d = kolik m vzduchové vrstvy by svými difúzními vlastnostmi nahradilo danou vrstvu používá se zejm. pro povrchové úpravy Minerální vlna Polyuretan Omítky a nátěry vztah mezi nasákavostí a paropropustností: Künzelův vztah: s d.w<0,1kg/m.h 0,5 - množství vody které nátěrem za časovou jednotku prodifunduje ve formě páry do okolí musí být stejné nebo větší než množství vody, které se za stejnou dobu nátěrem vsákne. Propustnost zemin důležitá v oblastech s radonovým rizikem závisí na velikosti a tvaru částic velikosti a distribuci pórů vlhkosti

14 Propustnost zemin Tepelné vlastnosti Interakce teplo - materiál má li okolí jinou teplotu než materiál, dochází k přenosu tepelné energie 1. materiál ovlivňuje přenos a šíření tepelné energie 2. tepelná energie ovlivňuje vlastnosti materiálu Šíření tepla vedení (kondukce) - pevné látky proudění (konvekce) - plyny, kapaliny sálání (radiace)

15 Šíření tepla v materiálech Závisí na: Tepelná vodivost schopnost materiálu vést teplo pórovitosti struktuře teplotě typu materiálu v pórovitém materiálu se teplo šíří kombinací všech typů šíření součinitel tepelné vodivosti λ Součinitel tepelné vodivosti množství tepla, které přenese materiál plochou 1 m 2 do vzdálenosti 1 m při teplotním rozdílu 1K jednotky [ W.m -1.K -1 ] čím nižší λ, tím lepší izolant (tepelně izolační materiály λ < 0,15 W/(m.K) Rozsah λ : 10-2 až 10 2 W.m -1.K -1 Látka λ [W.m -1.K -1 ] Měď... ~370 Hliník... ~200 Uhlíková ocel ~50 Beton... ~1,4 Sklo. ~0,75 Cihla plná.. ~0,7 Voda (20 C, v klidu)... ~0,60 Dřevo..... ~0,15 Minerální vlákna. ~0,05 Polystyrén pěnový.. ~0,035 Vzduch (suchý, v klidu). 0,025 Argon (v klidu)... ~0,015 tepelně izolační materiály

16 Tepelná vodivost - porovnání Tepelná vodivost pěnový polyuretan minerální vlna sádrokarton popílkobet. tvárnice plná cihla beton vápenec tloušťka (m) Organické látky jsou vesměs špatné vodiče Krystalické látky vedou lépe než amorfní látky (stejného složení) Látky s menší objemovou hmotností obvykle vedou hůře Mimořádně dobře vedou kovy Anizotropní látky mají různou vodivost v různých směrech Součinitel tepelné vodivosti Závisí na: chemickém složení struktuře pórovitosti (objemové hmotnosti) vlhkosti teplotě Vliv pórovitosti VZDUCHU = 0,025 W.m -1.K -1 čím vyšší obsah vzduchu v materiálu (pórovitost), tím nižší objemová hmotnost i tepelná vodivost velikost pórů je omezena (nejlépe 0,1 1 mm)

17 Vliv pórovitosti Vliv vlhkosti vody je cca 25 x vyšší než vzduchu EPS zvlhnutím se materiály určené jako tepelná izolace znehodnocují velmi malé póry díky kapilaritě snadno navlhnou pro izolační materiály jsou proto nejlepší póry s průměrem: 0,1 1 mm Vliv vlhkosti Vliv teploty vzrůstá s rostoucí teplotou t 0 0,0025t (pro t =0-100C) EPS EPS

18 Tepelně izolační materiály Tepelně izolační materiály vláknité sypké - minerální a skleněná vlákna - dřevěná vlna (heraklit), - celulózová vlákna - rozvlákněný papír -sláma(balíky, panely) - keramické kamenivo (keramzit) - expandovaný perlit - popílkové kamenivo - škvára tvarové - lehké betony (s lehkým kamenivem, polystyrenbeton, mezerovité betony,pěnobeton, pórobeton) - cihelné tvárnice typu Therm - křemelina pěnové - pěnové plasty (polyuretan, polystyren, PVC, fenolická pěna, polyetylen) -pěnové sklo Tepelně izolační materiály Nejlepší izolace? ostatní - korek (expandovaný) - masivní dřevo - materiály na bázi dřeva (hobra, dřevotříska) -ovčí vlna vakuum VIP = Vacuum Insulated Panel ( = W/m K)

19 Měření součinitele tepelné vodivosti stacionární metody - měření v ustáleném stavu nestacionární metody měření v neustáleném teplotním stavu ustálený teplotní stav - tepelný výkon je stálý, teploty na obou stranách měřeného materiálu se nemění (ale nemusí být stejné) Stacionární metody: Metoda chráněné teplé desky Metoda koule Metoda válce Metoda teplé skříně Nestacionární metody: Metoda topného drátu Metoda plošného pulsního zdroje Metoda jehlové sondy Laserová metoda Měření tepelné vodivosti Měření součinitele tepelné vodivosti Stacionární metoda q d T1 - T 2 q Q A q.. hodnota hustoty tepelného toku [W/m 2 ] d. průměrná hodnota tloušťky vzorku [m] T 1... povrchová teplota teplé plochy zkušebního vzorku [K] T 2 povrchová teplota chladné plochy zkušebního vzorku [K] Q... hodnota tepelného toku [W] A... vztažná plocha vzorku [m 2 ]

20 Měření ve stacionárním stavu Chráněná teplá deska Tepelný odpor týká se konstrukce, nikoliv materiálu R = d / [(m 2. K) / W] lze ho použít pro hodnocení kusových staviv R = 0,65 (m 2. K) / W Tepelný odpor tepelný odpor vícevrstvé konstrukce (souvrství) lze aproximovat jako součet dílčích tepelných odporů jednotlivých vrstev. Koeficient prostupu tepla prostup tepla konstrukcí K (U) = 1/ R [ W / m 2. K ] R R i

21 Tepelné ztráty Požadavky na součinitel U Střecha % Zdi % Okna % Podlaha 2 5 % nízkoenergetické domy (NERD): U stěny 0,18 W.m -2.K -1 energeticky pasivní domy (EPD): U stěny 0,12 W.m -2.K -1 domy s téměř nulovou spotřebou energie (od 2020) Budova s téměř nulovou spotřebou energie Požadavky (vyhláška 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov se změnou 230/2015 Sb.) velmi nízká energetická náročnost spotřeba energie je ve značném rozsahu pokryta z obnovitelných zdrojů Požadavky na součinitel U Evropa max. U pro zdi

22 Energetický audit vyhodnocuje energetické hospodářství, provádí jeho analýzu a na jejím základě navrhuje zlepšení v oblasti hospodaření energie a paliv návod jak postupovat, aby se snížila spotřeba a zvýšila efektivnost využití paliv a energie Průkaz energetické náročnosti budovy celková spotřeba energie povinný pro novostavby od není povinný hodnotí pouze konstrukci domu

23 Pozadí vlhkostních vlastností vlhkost obsah vody odstranitelný sušením jedná se o fyzikálně vázanou vodu, nikoliv tedy o molekuly vody, jež tvoří součást materiálu (těm se říká chemicky vázaná voda ) vlhkost je v každém materiálu v konstrukci (nezbavíme se jí) sorbovaná (sorpční): jednotlivé molekuly vody sedící na povrchu materiálu při pokračující sorpci dochází ke kondenzaci vzniká volná vlhkost volná vlhkost: kapalina vyskytující se v pórech materiálu vzlíná - škodí Povrch kapaliny, povrchové napětí mezimolekuární přitažlivé a odpudivé síly ve vodě vodíkové můstky každá molekula chce vytvořit svůj konstatní počet vazeb sil k sousedním molekulám povrch kapaliny méně sousedních molekul = silnější síly k zbývajícím sousedům = vzniká povrchový film povrchové napětí σ (nebo ) : energie (práce) potřebná na jednotkové zvětšení povrchu v J/m 2 nebo N/m Povrchovou energii mají i pevné látky povrch Měří se síla potřebná k odtržení prstence od hladiny Kapilární elevace a deprese kapilára (vlásečnice) tenká trubička (cca nm-0,5 mm) elevace - vzlínání: kapalina dobře smáčí povrch kapiláry deprese: kapalina nesmáčí kapiláru vzlínání nad zakřiveným povrchem (meniskem) je nižší tlak, než nad rovným povrchem kapalina stoupá vzhůru hydrostatický tlak kapaliny v kapiláře obě síly v rovnováze = ustálená výška kapaliny v kapiláře: hg 2 cos R stejná kapalina, stejný materiál různé průměry kapiláry vzlínání podporuje: dobrá smáčivost, úzká kapilára

24 Smáčivost povrch pevné látky: rovnováha sil na povrchu (vektorový součet): s = sl + l.cos s..povrchová energie pevné látky l..povrchové napětí kapaliny sl..mezifázová energie pevná látka-kapalina..úhel smáčení Přátelské a nepřátelské povrchy rozhoduje polarita pevné látky a kapaliny viz 1. a 2. přednáška podobné se má rádo = smáčí se podobným voda silně polární kapalina dobře smáčí povrchy anorganických látek organické látky dobře smáčí organické povrchy plasty, vosky Gore texová membrána: polyurethanová síť nesmáčivá pro vodu kapky neprojdou, ale jednotlivé molekuly H 2 O (pára) projdou kapalina dobře smáčí povrch kapalina špatně smáčí povrch kapalina na přátelském povrchu kapalina na nepřátelském povrchu Ovlivnění smáčivosti povrchu: Povrchově aktivní látky ovlivňování smáčivosti: modifikace povrchu nebo modifikace kapaliny vždy se používají povrchově aktivní látky (surfaktanty, tenzidy) PAL molekuly obsahují hydrofilní (obvykle obsahuje kyslík) a hydrofobní část uhlovodíkový řetězec Omezení kapilární elevace v materiálech - hydrofobizace ošetření materiálu (konstrukce) hydrofobizačním přípravkem omezení vzlínání vody hydrofob hydrofil octyl-tri-ethoxy-silan tohle už jsme viděli u emulzí hydrofil sádrový dílec hydrofob

25 Technologie vody Zásoby vody na Zemi Kovalentní molekula H 2 O Tvorba vodíkových můstků díky nim je za normálních podmínek kapalná (hustota, skupenství) Parciální náboje v molekule dobré polární rozpouštědlo Vysoká tepelná kapacita akumulace tepla vliv na okolní ekosystémy 1120 km 1400 mil km 3 cca 0,1 mil km 3 50 km Orlická nádrž: 0,28 km 3 Hrana krychle 650 m Koloběh vody a doby zdržení vody v rezervoárech Chemické složení vod Ledovec: do 100 let 9 dní Látky rozpuštěné x nerozpuštěné (kal) Anorganické x organické Makrosložky (Ca 2+, Na +, Cl -, SO 2-4, NO 3- ) x mikrosložky (Fe, Pb, Al, Hg, polychlorované bifenyly ) Elektrolyty (částice s nábojem) x neelektrolyty (O 2, org. látky) Přirozené (z hornin) x antropogenní (z odpadních vod) Antarktida: let 3200 let Ca, Mg: přirozené makrosložky, netoxické Celková koncentrace Ca a Mg: tvrdost vody Krystalizující CaCO 3 a MgCO 3 : vodní kámen (zejména teplosměnné plochy kotle, výměníky) Jezero: do 100 let Podzemní voda: let Sírany SO 4 2- : velmi rozšířený anion, netoxický, minerální vody s vyšším obsahem jsou projímavé velký význam v korozi betonu

26 Dusičnany NO 3-, dusitany NO 2- a amonný kation NH 4+ : dusík je nezbytná živina pro rostliny (umělá hnojiva) Vzájemné přeměny forem dusíku (bakterie) nadměrné množství ve vodě rozvoj růstu řas a sinic (eutrofizace vody) pokles koncentrace kyslíku hynutí ryb dusitany a dusičnany nebezpečné pro kojence (blokují přenos kyslíku krví) Chloridy Cl - : přirozeně z hornin, antropogenně z průmyslu a splaškových vod (moč), zimní údržba silnic a chodníků hygienicky nezávadné, ovlivňují chuť vody podporují korozi kovů i betonu Železo: netoxické, ale ovlivňuje barvu a chuť vody Podporuje růst železitých bakterií (ucpávají potrubí), vadí rybám Oxidy dusíku v atmosféře složka kyselých dešťů Podílejí se na korozi betonu Fosforečnany PO 4 3- : živina rostlin hnojiva eutrofizace Prací prášky Těžké kovy a hliník: přirozené složky + následky lidské činnosti V malých množstvích neškodné (řada z nich jsou biogenní prvky), od jisté koncentrace toxické pro vodní organismy i člověka (Pb, Cu, Hg..) Organické látky ve vodách Přirozený výskyt: výluhy z půdy, z tlejících rostlin, metabolity vodních organismů huminové látky: obsaženy v humusu, ovlivňují chuť a barvu vody, nežádoucí ve vodě pro úpravu na pitnou, vznikají přitom toxické a karcinogenní tri-halogen-metany (např. CHCl 3 ) Antropogenně podmíněné, nežádoucí organické látky: polychlorované bifenyly (PCB): velmi stálé v přírodě, akumulují se ve tkáních, toxické (játra, reprodukce), některé karcinogenní, dříve oblíbené technické kapaliny náplně transformátorů, hydraulické kapaliny při spalování (pod 1200 ) přecházejí na dioxiny (karcinogenní, teratogenní) Voda z hlediska využití člověkem zdroje vody pro praktické využití: srážková voda: obsahuje CO 2 a nečistoty z atmosféry (kyselé plyny, prach); využití závlaha, splachování WC pro úpravu na pitnou (nebo užitkovou) vodu se využívají: podzemní voda: složení závisí na horninovém prostředí; může být silně mineralizovaná ( tvrdá ), obsah organických bývá látek nízký (čím větší hloubka, tím méně) povrchová voda: řeky, jezera složení a vlastnosti závisí na srážkových a podzemních vodách, z nichž vzniká, ale obvykle je méně mineralizovaná (měkká) a více znečištěná organickými látkami

27 Zdroj: studna, vodní tok surová voda úpravna vody (vodárna) spotřeba pitná/užitková voda v domácnosti Celosvětová spotřeba vody odpadní voda čistírna odpadních vod Úprava vody vždy záleží na konkrétním zdroji vody (kyselost, obsah CO 2, tvrdost, obsah Fe a Mn, ) a na jejím budoucím použití úprava podzemní vody obvykle méně náročná (=levnější) než úprava povrchové vody odběr česle hrubé nečistoty dávkování síranu železitého nebo hlinitého = koagulační činidlo vločkovač ) na vločky se zachytí koloidní nečistoty Podolí: úprava vltavské vody dnes záložní zdroj Káraný: 685 studní kolem Jizery + artéské vrty (80 m) přítok suspenze hygienické zajištění: dezinfekce chlorem, UV, peroxidem vodíku filtrace zbývajících vloček vločky koagulantu usazení vloček Želivka: přehradní nádrž

28 Stokování a čištění odpadních vod jednotná kanalizace: odpadní vody všeho druhu odvádí jeden systém stok oddílná kanalizace: různé systémy stok pro různé odpadní vody (např. srážková voda nemusí procházet čistírnou odp. vod) Čistírna odpadních vod technologie závisí na povaze odpadních vod: splašková, jatka, mlékárna, důlní voda, chemický průmysl, živočišná výroba mechanické čištění: lapák štěrku, česle aktivovaný kal biologické aerobní čištění: mikroorganismy rozkládají organické látky řeka usazovák anaerobní stupeň: vyhnívání bioplyn zdroj energie stabilizovaný kal skládka, spálení povrchové napětí kapilární elevace hydrofobizace důležité látky ovlivňující kvalitu vody rozdíl mezi úpravnou vody a čistírnou odpadních vod kanalizace oddílná a jednotná jak fungují čistírna a úpravna