VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Ing. Petr Cikrle, Ph.D. Ing. Věra Heřmánková Ing. Richard Mařík Ing. Petr Havlan Ing. Petr Mitrenga STAVEBNÍ LÁTKY MODUL BI01 M07 LABORATORNÍ CVIČENÍ STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor Ing. Petr Cikrle, Ph.D. Ing. Petr Havlan Ing. Věra Heřmánková Ing. Richard Mařík Ing. Petr Mitrenga
OBSAH 1 Úvod...5 1.1 Cíle...5 1.1 Doba potřebná ke studiu...5 1.2 Záznamy a protokoly o zkouškách...5 2 Z...6 2.1 Cíle...6 2.2 Doba potřebná ke studiu...6 2.3 Stanovení pevnosti v tlaku (ČSN EN 1926)...6 2.4 Stanovení ukazatele změknutí kamene po nasáknutí vodou...8 2.5 Stanovení nasákavosti za atmosférického tlaku...8 3 Zkoušení cihlářských výrobků...10 3.1 Cíle...10 3.2 Doba potřebná ke studiu...10 3.3 Stanovení pevnosti v tlaku...10 3.4 Stanovení skutečných rozměrů cihel...10 3.5 Objemová hmotnost výrobku...11 3.6 Nasákavost (ČSN 72 2603)...12 3.7 Objemová hmotnost střepu (ČSN 72 2603)...13 3.8 Stanovení mechanických vlastností (ČSN 72 2605)...15 3.9 Pevnost v tahu za ohybu (ČSN 72 2605)...15 3.10 Pevnost v tlaku (ČSN 72 2605)...17 4 Zkoušení dřeva...18 4.1 Cíle...18 4.2 Doba potřebná ke studiu...18 4.3 Řezy dřevem a směry zkoušení...18 4.4 Objemová hmotnost dřeva (ČSN 49 0108)...19 4.5 Vlhkost dřeva (ČSN 49 0103)...20 4.6 Zjišťování bobtnání dřeva (ČSN 49 0126)...21 4.7 Pevnost v tlaku ve směru vláken (ČSN 49 0110)...22 4.8 Konvenční mez pevnosti v tlaku napříč vláken...24 (ČSN 49 0112)...24 4.9 Rázová houževnatost v ohybu...26 Korespondenční úkol...27-3 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 5 Zkoušení polymerů... 28 5.1 Cíle... 28 5.2 Doba potřebná ke studiu... 28 5.3 Stanovení tahových vlastností folií z plastů a trubek z termoplastů. 28 5.4 Identifikační zkoušky... 30 6 Zkoušení stavební oceli... 33 6.1 Cíle... 33 6.2 Doba potřebná ke studiu... 33 6.3 Stavební ocel... 34 6.4 Identifikace betonářských ocelí... 35 6.5 Měření rozměrů... 36 6.6 Zkouška tahem za okolní teploty ČSN EN 10002-1... 37 7 Závěr... 43 7.1 Shrnutí... 43 7.2 Klíč... 43 8 Studijní prameny... 44 8.1 Seznam použité literatury... 44 8.2 Seznam doplňkové studijní literatury... 44
1 ÚVOD 1.1 Cíle V této kapitole se seznámíte se základními údaji potřebnými ke správnému zápisu a vyhodnocení hodnot naměřených při praktických cvičeních. 1.1 Doba potřebná ke studiu Časová náročnost této kapitoly je 100 minut. 1.2 Záznamy a protokoly o zkouškách Pracovník provádějící zkoušku musí o ní provést prvotní záznam obsahující všechny informace o naměřených hodnotách jednotlivých veličin a další údaje, které budou potřebné pro provedení výpočtů a vypracování závěrečného protokolu. Každá zkouška musí být uzavřena protokolem, ve kterém se přesně a jasně uvedou veškeré podstatné informace o zkoušce a její jednoznačné výsledky. Náležitosti protokolu jsou uvedeny pro konkrétní zkoušky v příslušných technických normách, obecně pak v [1]. Protokoly z laboratorních cvičení v rámci našeho předmětu provedete ve zúžené formě a budou obsahovat: jméno studenta, studijní skupinu, datum zkoušky; název protokolu (např. Protokol o zkoušení kameniva hutného ); teplotu a relativní vlhkost vzduchu; popis zkušebního vzorku; název každé úlohy (např. 1. Stanovení objemové hmotnosti v odměrném válci ); měřené veličiny; obecný výpočtový vztah; dosazení, výpočet, zaokrouhlení výsledku; závěr = shrnutí a vyhodnocení výsledků, případně porovnání s technickými předpisy; na konci protokolu posluchač uvede: Zkoušky provedl a protokol zpracoval: podpis Poznámka Protokol musíte zpracovat pečlivě, jasně, přehledně a čitelně. Ke zpracování některých protokolů můžete použít formuláře obsažené v přílohách skript. - 5 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 2 ZKOUŠENÍ KAMENE 2.1 Cíle V této kapitole se seznámíte s tradičním stavebním materiálem. Na vzorcích kamene stanovíte pevnost v tlaku ve stavu vysušeném a nasyceném vodou,z těchto hodnot vypočítáte ukazatel změknutí. Dále stanovíte objemovou hmotnost, nasákavost kamene hmotnostní a otevřenou pórovitost. 2.2 Doba potřebná ke studiu Časová náročnost této kapitoly je 100 min. 2.3 Stanovení pevnosti v tlaku (ČSN EN 1926) 2.3.1 Podstata zkoušky Stanovením pevnosti v tlaku se rozumí zjištění maximální síly, které je schopno těleso odolávat při použití rovnoměrně rozloženého zatíženi, které je plynule zvyšováno, dokud nedojde k porušení. 2.3.2 Příprava zkušebních těles Obrázek 2.1 Krychlová zkušební tělesa - zatížení kolmo k plochám anisotropie, rovnoběžně s plochami anisotropie Obrázek 2.2 Válcová zkušební tělesa - zatížení kolmo k plochám anisotropie, rovnoběžně s plochami anisotropie Pro zkoušku použijeme brusku povrchu, leštící zařízení, pokud je nutná konečná úprava zkušebních těles. Kalibrovaný zkušební lis, stopky s přesnosti 1 s,
sušárnu s ventilací, umožňující udržet teplotu (70 ±5) C, váhy s přesností 0,01 g, délkové měřidlo s přesnosti 0,05 mm, klimatizovanou místnost na teplotu (20 ±5) C. Má být zkoušeno nejméně šest zkušebních těles a zaznamenán směr plochy anisotropie. Zkušební tělesa mají tvar krychle o hraně (50 ±5) mm nebo válce s kruhovým průřezem, jejichž průměr a výška se rovnají (50 ±5) mm. Osa zkušebního tělesa má být kolmá k plochám anisotropie, např. vrstevným plochám, foliaci atd. V případě jiného směru zkoušení je třeba tento ůdaj zaznamenat. - (viz. obrázek 2.1, 2.2) 2.3.3 Postup zkoušky Zkušební tělesa se vysuší za teploty (70 ±5) C do ustálené hmotnosti. Po vysušení a před zkoušením se zkušební tělesa se skladují za teploty (20 ±5) C, dokud nedojde k vyrovnání teplot Rozměry průřezu zkušebního tělesa (postranní rozměr pro krychlová, průměr pro válcová zkušební tělesa) se změří na nejbližší 0,1 mm zprůměrováním dvou měření získaných kolmo na sebe přibližné v horní části a dvou měření přibližně v dolní části výšky h zkušebního tělesa. Pro výpočet plochy průřezu jsou použity aritmetický průměr postranního rozměru θr nebo aritmetický průměr průměru d. Výška zkušebního tělesa se určí na nejbližší 1,0 mm. Zkušební těleso se pečlivě vyrovná na střed tlačné plochy s kulovým uložením tak, aby se dosáhlo ustáleného usazení. Zatížení na zkušební těleso se vyvíjí plynule za konstantního přírůstku napětí (1±0,5) MPa/s a zaznamená se maximální zatížení na zkušební těleso. 2.3.4 Vyhodnocení zkoušky Pevnost v prostém tlaku R V MPa každého zkušebního tělesa se vyjádří jako poměrné zatížení při porušení zkušebního tělesa a jeho plochy průřezu před zkoušením pomocí vztahu: F R = (2.1) A A plocha příčného průřezu zkušebního tělesa před zkouškou, v mm2; F zatížení při porušení, v N; Výsledkem zkoušky je aritmetický průměr R jednotlivých hodnot pevností v tlaku zkušebních těles sady. Výsledek zkoušky se vyjádří v MPa nejméně dvěma platnými čísly. Aritmetický průměr R se vypočte na nejbližší 1 MPa. - 7 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 2.4 Stanovení ukazatele změknutí kamene po nasáknutí vodou 2.4.1 Podstata zkoušky Pří nasycení kamene vodou dojde ke snížení jeho pevnosti v tlaku (rovněž i v ohybu). Tento jev je natolik výrazný, že se zkoumá a popisuje pomocí ukazatele změknutí. Definice Ukazatel změknutí KZ c udává poměr mezi součtem pevností v tlaku ve stavu nasyceném vodou ku součtu pevností v tlaku ve stavu vysušeném při stejném množství nasycených a vysušených těles vyrobených ze stejného vzorku kamene. 2.4.2 Postup zkoušky Nasakovaná tělesa se uloží při normálním atmosférickém tlaku do vody při teplotě (20 ±5) C. Po 48 hodinách se vzorky vyjmou, osuší se na povrchu vlhkou tkaninou, aby na tlačných plochách nelpěla voda a podrobí se zkoušce pevnosti v tlaku viz. kapitola 7.1. Výpočet se provede dle rovnice 7.1, pouze pevnost v nasyceném stavu se označí R n. Je třeba dbát na to, aby zkušební tělesa vysušené sady byla stejná jako tělesa nasakované sady nejen v předepsaném tvaru a v předepsaných rozměrech, ale aby byla také vzájemně rovnocenná v pevnosti v tlaku, což se posoudí podle jejich vzhledu. 2.4.3 Vyjádření výsledků Ukazatel změknutí KZ c se vypočítá (se zaokrouhlením na 2 desetinná místa) ze vzorce: Rn KZ c = (2.2) R R n R je průměrná pevnost sady zkušebních krychlí, popř. válců nasáklých vodou, v MPa; průměrná pevnost sady zkušebních krychlí, popř. válců vysušených při 70 C do ustálení hmotnosti, v MPa. 2.5 Stanovení nasákavosti za atmosférického tlaku 2.5.1 Zkušební pomůcky Nádoba z vodou Váhy s váživostí 0,01 g.
2.5.2 Postup zkoušky Zkušební těleso se po vysušení zváží (m d ) s přesností 0,01 g a uloží do nádoby. Poté se zkušební tělesa zalijí vodou do poloviny výšky na dobu 60 minut. Poté se přilije vodo do tří čtvrtin výšky tělesa na dobu dalších 60 minut. Po této době se tělesa ponoří zcela na 48 hodin. Po dvou dnech se tělesa vyjmeme, otřeme vodu z povrchu a rychle je zvážíme. Další vážení následuje každých 24 hodin až do ustálení vlhkosti, kdy se určí hmotnost m s tělesa nasyceného vodou. Ve cvičení budete mít tělesa předem nasycena. 2.5.3 Vyjádření výsledků Nasákavost vodou za atmosférického tlaku Ab každého zkušebního tělesa se vypočítá podle: ms - md A b = 100 (2.3) m m s m d s hmotnost nasyceného zkušebního tělesa, v gramech; hmotnost vysušeného zkušebního tělesa, v gramech. Výsledky se vyjádří v procentech na nejbližší 0,1%. Kontrolní otázky 1. Jaké skutečnosti je třeba vzít v úvahu při zkouškách pevnosti v tlaku kamene? 2. Co udává ukazatel změknutí? 3. Jak probíhá nasakování těles při stanovení nasákavosti při atmosférickém tlaku? Korespondenční úkol K/1 Určete ukazatel změknutí pískovce, jestliže na zkušebních tělesech ve tvaru válce o průměru 50 mm byly při zkoušce zjištěny tyto hodnoty maximální síly: ve stavu vysušeném 132 kn, 145 kn, 149 kn, 122 kn a 131 kn, ve stavu nasyceném vodou 102 kn, 118 kn, 119 kn, 123 kn, 109 kn. (klíč: KZ c = 0,84). - 9 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 3 Zkoušení cihlářských výrobků 3.1 Cíle V této kapitole se seznámíte se zkoušením cihel. I když se v laboratorním cvičení budou provádět zejména zkoušky plných pálených cihel, platí tato stať pro zkoušení všech cihlářských prvků pro svislé konstrukce, vodorovné konstrukce (stropní vložky a desky), pálenou krytinu i pro prvky pro zvláštní účely (trativodky, cihelné dlaždice, obkládačky aj.). Na vzorcích stanovíte rozměry a vzhled, pevnost v tahu ohybem, pevnost v tlaku, nasákavost, objemovou hmotnost výrobku i střepu. 3.2 Doba potřebná ke studiu Časová náročnost této kapitoly je 150 min. 3.3 Stanovení pevnosti v tlaku Pro zkoušky se odebírá zpravidla 30 ks výrobků, a to pro zjištění: vzhledu a rozměrů, objemové hmotnosti a mechanických vlastností 10 ks; nasákavosti, prosákavosti a mrazuvzdornosti výskytu cicvárů náchylnosti k tvorbě výkvětů Navíc náhradní vzorky 5 ks; 5 ks; 5 ks. 5 ks. Vzorky se zpravidla zkouší v definovaném stavu vlhkosti buď vysušené do ustálené hmotnosti, anebo ve stavu nasyceném vodou. 3.4 Stanovení skutečných rozměrů cihel 3.4.1 Postup Před měřením skutečných rozměrů je nutné hrany a případně plochy zkušebních vzorků zbavit větších výčnělků, které by mohly překážet měření. Základní rozměry (délku 1, šířku b, tloušťku h) měříme posuvným měřítkem na všech čtyřech plochách vždy na spojnici středů protilehlých hran - viz. plakát ve cvičení. Ze 4 naměřených hodnot pro každý rozměr vypočteme aritmetický průměr, který se udává s přesností ± 1 mm.
3.4.2 Vyhodnocení Skutečné rozměry vzorku porovnejte s technickými požadavky (Tabulka 3.1) a vzorek zařaďte do příslušné jakostní třídy. Vnější vlastnosti Mezní odchylky jmenovitých rozměrů v mm Třída jakosti jmenovité I II 290-7 + 3-10 + 6 250-6 + 3-9 + 5 140-4 + 2-8 + 4 120-4 + 2-7 + 4 65-4 + 2-5 + 3 Použitelné zlomky v % dodávky max. nebo max. % prolínání jakostních tříd 5 8 Trhlinky nevadí, pokud nesnižují pevnost Odchylky od R mezi přilehlými plochami 1 2 max. úhel Otlučení hran a rohů, odštěpky (max. 2 na jedné cihle u vzorků odebraných ve výrobně), do hloubky max. mm 10 20 Tabulka 3.1 Technické požadavky na vnější vzhled a rozměry cihel plných (ČSN 72 2610) 3.5 Objemová hmotnost výrobku 3.5.1 Podstata zkoušky Objemová hmotnost výrobku je hmotnost jednotkového objemu vzorku, včetně pórů a dutin v něm obsažených. Zjišťuje se buď měřením rozměrů a vážením (u pravidelných těles) nebo hydrostatickým vážením (u nasáknutých těles nepravidelného tvaru). Hmotnost vzorku se určuje v suchém stavu. 3.5.2 Zkušební zařízení váhy potřebné váživosti s přesností 0,01%; sušička umožňující regulování teploty v rozmezí (105-110) C. 3.5.3 Postup zkoušky U vzorků pravidelného geometrického tvaru je možno objem vypočítat z průměrných hodnot vnějších rozměrů, určených ze sady 10 kusů vzorků (ve cvičení pouze 1 vzorek). Vysušený vzorek zvážíme a z naměřených rozměrů vypočteme průměrný objem V v m 3 na 4 hodnotné číslice. - 11 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 3.5.1 Měřené veličiny a výpočet m je hmotnost výrobku ve stavu vysušeném v kg; l, b, h jsou průměrné rozměry výrobku v m; V = l b h je průměrný objem výrobku v m 3 ; Objemovou hmotnost výrobku ρ v v kg/m 3 vypočítáme ze vzorce ρ v m = (3.1) V 3.5.4 Vyhodnocení Objemovou hmotnost výrobku zaokrouhlete na 3 platná místa dosaženou hodnotu porovnejte s technickými požadavky. Pro rychlou orientační kontrolu objemové hmotnosti většího množství cihel stačí vzorky zvážit a jejich hmotnost porovnat s hodnotou m informativní (pro cihly plné - viz. tabulka 3.2). l b h ρ v m informativní mm kg/m 3 kg max. 1900 5,0 290 140 65 max. 1750 4,6 max. 1600 4,2 Tabulka 3.2 Požadavky na objemovou hmotnost cihel plných pálených 3.6 Nasákavost (ČSN 72 2603) 3.6.1 Podstata zkoušky Nasákavost udává množství vody pohlcené vzorkem za stanovených podmínek v % hmotnosti vysušeného vzorku (poměr hmotnosti vody ku hmotnosti suchého vzorku v %). 3.6.2 Postup zkoušky Nasákavost se zjišťuje na 5 celých vzorcích (ve cvičení pouze 1 vzorek) vysušených při 105 C až 110 C. Po ochlazení na teplotu místnosti vzorky zvážíme a postavíme nejmenší plochou na dno nádoby naplněné destilovanou nebo pitnou vodou tak, aby se vzájemně nedotýkaly a hladina vody byla alespoň 50 mm nad povrchem vzorků. Vodu v nádobě uvedeme během 1 hodiny do varu, ve kterém ji udržujeme další 4 hodiny. Po ukončení varu necháme vzorky vychládat ve vodě po dobu dalších 16 až 24 hodin. Po vyjmutí z vody odstraníme vlhkou tkaninou povrchovou vodu a do 5 minut od vytažení vzorky zvážíme.
3.6.3 Měřené veličiny a výpočet m n je hmotnost nasyceného vzorku, v g; m s je ustálená hmotnost vysušeného vzorku, v g. Nasákavost NV v % každého vzorku zvlášť vypočítáme podle vzorce NV = mn m m s s 100 (3.2) 3.6.4 Vyhodnocení Výsledek zaokrouhl. na 3 platná místa a porovnejte s hodnotami v tabulce 3.3. 3.7 Objemová hmotnost střepu (ČSN 72 2603) Metoda se používá u vzorků nepravidelného tvaru (zlomky, střepy). U cihel děrovaných nebo u keramických výrobků s dutinami je hodnota objemové hmotnosti střepu větší než hodnota objemové hmotnosti výrobku, pouze u cihel plných jsou prakticky shodné. 3.7.1 Podstata zkoušky Podstatou zkoušky je zjištění objemu V buď z množství vytlačené vody vážením vzorku na vzduchu a ve vodě, anebo přímo změřením vytlačené vody v objemoměru nebo odměrném válci. Ve cvičení budeme objem zjišťovat vážením na vzduchu a pod vodou. Fyzikální princip zkoušky založený na Archimédově zákonu je popsán v úloze 3.2. 3.7.2 Zkušební zařízení sušička umožňující regulování teploty v rozmezí (105-110) C; váhy potřebné váživosti s přesností 0,01%; stejné váhy uzpůsobené pro vážení ve vodě; nádoba na vodu potřebné velikosti, destilovaná nebo pitná voda, nasákavá tkanina; 3.7.3 Postup Zkouška se provádí současně se zkouškou nasákavosti na 5 stejných vzorcích (ve cvičení pouze na 1 vzorku), kdy se nasycené vzorky odváží Obrázek 3.1 Úprava vah pro hydrostatické vážení - 13 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 na tárovacích vahách ve vodě o teplotě (20±2) C. K vážení vzorků použijeme přesnou váhu upravenou pro vážení ve vodě podle obrázku 3.1. Po zapnutí a vynulování váhy (B) postavíme na misku vah (C) pomocnou konstrukci (E), pod kterou protáhneme můstek (D) spočívající na kamenné desce stolu (A). Na můstek, který nezatěžuje misku vah, umístíme nádobu s vodou (F). Váhy vytárujeme (vynulujeme) včetně závěsu pro upevnění vzorku (G) vzhledem k jeho částečnému ponoření do vody. Vzorek nasycený vodou (H) zavěsíme na pomocnou konstrukci a ponoříme do vody tak, aby se nedotýkal stěn nádoby a byl celý pod vodou. Po odstranění vzduchových bublin odečteme hmotnost ve vodě m nw. Pro zjištění hmotnosti na vzduchu odstraníme nádobu s vodou, vlhkou tkaninou ze vzorku otřeme povrchovou vlhkost a určíme jeho hmotnost na vzduchu m n. Hmotnost vysušeného vzorku m s vypočítáme ze zadané hodnoty nasákavosti střepu. 3.7.4 Měřené veličiny a výpočet m s je hmotnost vysušeného vzorku v g; m n je hmotnost nasyceného vzorku v g; m nw je hmotnost nasyceného vzorku váženého ve vodě v g. Objemovou hmotnost střepu ρ vs v kg/m 3 vypočítáme ze vzorce ρ vs = m n m s m nw 3.7.5 Vyhodnocení 1000 (3.3) Výsledek zaokrouhl. na 3 platná místa a porovnejte s hodnotami v tabulce 3.3. Druh Pevnost Nasákavost Mrazuvzdornost Pevnostní v tlaku v ohybu počet značka v suchém stavu min. průměrná zmrazovacích průměrná jednotlivá průměrná jednotlivá cyklů CP MPa % P 6 6 4,8 1,0 0,7 P 7 7 6,0 1,2 0,8 0 P 8 8 6,4 1,5 0,8 min. P 10 10 8,0 1,7 0,9 10 0 nebo 15 P 15 15 12,0 2,2 1,1 podle P 20 20 16,0 2,8 1,4 požadavků P 25 25 20,0 3,2 1,6 25 Tabulka 3.3 Technické požadavky na mechanické vlastnosti a nasákavost cihel plných pálených
3.8 Stanovení mechanických vlastností (ČSN 72 2605) Z mechanických vlastností se určuje zejména pevnost v tahu za ohybu, pevnost v tlaku a únosnost. Zjištění těchto vlastností je navíc také součástí stanovení mrazuvzdornosti, což je zkouška technologická. 3.8.1 Podmínky zkoušek Zkouší se na 5 kusech zkušebních vzorků (zásadně hotových výrobků, jen výjimečně na částech výrobků) ve vysušeném nebo nasáknutém stavu po jejich případné úpravě. Jestliže zjišťujeme na vzorku pevnost v tahu za ohybu (resp. únosnost) a máme určit i pevnost v tlaku, můžeme pro obě zkoušky použít týž vzorek v případě, že předešlou zkouškou vznikla pravidelná a přibližně kolmá lomová plocha a obě poloviny vzorku nejsou jinak poškozené. Výsledkem každé dále uvedené zkoušky je (mimo jednotlivé hodnoty) aritmetický průměr ze všech 5 vzorků. Průměrnou pevností v tlaku nebo tahu za ohybu musí cihlářské výrobky vyhovovat požadavkům v příslušných materiálových listech. Jestliže pevnost v tlaku prvků pro svislé konstrukce nasáklých vodou klesne o více než 20% proti pevnosti v suchém stavu, musí být tyto výrobky označeny takovou pevnostní značkou (P), které odpovídají stavu nasáklému vodou (v průměru i jednotlivě). 3.8.2 Příprava vzorků Před každou zkouškou změříme potřebné rozměry s přesností ± 1 mm. Počítáme-li při vyhodnocování výsledku s tloušťkou (výškou) vzorku, měříme ji až po provedené zkoušce v místě lomu. Dále je nutno upravit tlačné plochy vzorků, které musí být rovinné a vzájemně rovnoběžné. Provedeme to obroušením na rovinné brusce anebo vytvořením tenké, maximálně 10 mm tlusté vyrovnávací vrstvy z cementové malty. U vzorků podrobených ohybovým zkouškám obdobně vyrovnáme jen stykové plochy s měřicím přípravkem vytvořením pásků 15 až 25 mm širokých a 10 mm tlustých. 3.9 Pevnost v tahu za ohybu (ČSN 72 2605) Provádí se přímo na výrobcích (v našem případě na plné cihle) upravených jak již bylo uvedeno. 3.9.1 Podstata zkoušky Cílem zkoušky je zjistit tahové napětí vyvolané ohybovým momentem při porušení vzorku. Cihly se zatěžují jedním břemenem v polovině rozpětí. 3.9.2 Přístroje a zařízení pomůcky pro úpravu zkušebního vzorku; - 15 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 hydraulický lis se zatěžovacím přípravkem; pryžové podložky. 3.9.3 Postup zkoušky Zkušební vzorek umístíme upravenými stykovými plochami na dvě výkyvné válečkové podpěry. Jejich délka je nejméně rovna šířce vzorku a jejich průměr je 10 mm. Osovou vzdálenost podpěr upravíme tak, aby byla vyjádřena rovným číslem v desítkách milimetrů a aby ji oba okraje vzorku symetricky přesahovaly asi o 25 mm. Zatížení se přenáší na horní stykovou plochu vzorku uprostřed rozpětí tlačným válečkem. 120 F 240 120 porušení tělesa pryžová podložka Obrázek 3.2 Zkouška pevnosti v tahu za ohybu cihel o rozměrech 290 140 65 K dokonalému přilehnutí podpěr i tlačného válečku se vkládá mezi vzorek a podpěry 5 mm tlustá pryžová vložka (Obrázek 3.2). Takto opatřený vzorek zatěžujeme plynule až do jeho zlomení. Zaznamenáme dosažené zatížení F v N, v místě lomu změříme šířku b a výšku h v mm s přesností ± 1 mm. 3.9.4 Měřené veličiny a výpočet F síla potřebná k porušení vzorku v N; l b h je osová vzdálenost podpěr v mm; je šířka vzorku v mm; je výška vzorku v místě zlomu v mm. Pevnost v tahu za ohybu σ po v MPa vypočteme pro každý vzorek zvlášť podle vzorce σ po F l M F l = = 4 3 = W bh 2 bh (3.4) 2 2 6 3.9.5 Vyhodnocení Pevnost v tahu za ohybu zaokrouhlete na dvě platná místa. Přestože jsme zkoušeli pouze 1 vzorek, výsledek porovnejte s požadavkem na průměrnou hodnotou pevnosti zadané pevnostní třídy (tabulka 3.3).
3.10 Pevnost v tlaku (ČSN 72 2605) Zkouší se buď celý výrobek, anebo 2 zlomky po zkoušce pevnosti v tahu za ohybu. 3.10.1 Přístroje a zařízení hydraulický lis o rozsahu do 1000 kn. 3.10.2 Postup měření Vzorek (nebo postupně oba zlomky) upravený vložíme dostředně na dolní tlačnou desku lisu a opatrně zatížíme tak, aby jeho horní tlačná deska opatřená kulovým kloubem dosedla na celou plochu vzorku nebo zlomku. Potom plynule zvyšujeme zatížení až do porušení vzorku. 3.10.3 Měřené veličiny a výpočet F je nejvyšší zatížení při porušení celého vzorku, v N; F 1, F 2 jsou nejvyšší zatížení při porušení každého ze zlomků, v N; A je tlačná plocha vypočtená ze změřených rozměrů původního vzorku, v mm 2. Pevnost v tlaku σ pd v MPa vypočítáme podle vzorce σ pd F F = = A + F A 1 2 3.10.4 Vyhodnocení (3.5) Pevnost v tlaku σ pd zaokrouhlete na 2 platná místa. Přestože jsme zkoušeli pouze 1 vzorek, výsledek porovnejte s požadavkem na průměrnou hodnotou pevnosti zadané pevnostní třídy (tabulka 3.3). Kontrolní otázky 1. Podle čeho se posuzuje jakostní třída cihel? 2. Jaké jsou požadavky na objemovou hmotnost a nasákavost cihel plných? 3. Co vyjadřuje označení cihly P 15? 4. Jak se provádí zkouška pevnosti v tlaku ne stejném vzorku, ne kterém byl předtím zkoušen ohyb? Korespondenční úkol CI/1 Jakou nejmenší sílu musí vyvinout zkušební stroj, aby přelomil na dvě části cihlu, jejíž pevnost v tahu ohybem je 1,4 MPa, rozměry přesně odpovídají jmenovitým a osová vzdálenost podpěr je 240 mm? (klíč: 2,3 kn). - 17 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 CI/2 Vypočtěte objemovou hmotnost a nasákavost cihelného střepu, jestliže jeho hmotnost v nasyceném stavu na vzduchu byla m 1 = 60,0 g, pod vodou m 2 = 28,0 g a po vysušení m S = 48,0 g. (klíč: 1500 kg/m 3, 25%) CI/3 Plná pálená cihla o rozměrech 290 140 65 mm byla při zkoušce pevnosti v tlaku rozdrcena silami 310 a 290 kn. Vypočtěte pevnost v tlaku. (klíč 14,78 MPa ) 4 Zkoušení dřeva 4.1 Cíle V této kapitole se naučíte rozeznávat řezy dřevem a směry zkoušení dřeva. Dále se seznámíte s vlastnostmi dřeva vlhkostí, bobtnáním a sesýcháním, pevností v tlaku ve směru, pracovním diagramem dřeva při zatěžování tlakem napříč vláken a rázovou houževnatostí v ohybu. 4.2 Doba potřebná ke studiu Časová náročnost této kapitoly je 150 min. 4.3 Řezy dřevem a směry zkoušení Zkoušky přírodního (rostlého) dřeva provádíme na rozměrově přesně určených vzorcích bez suků, smolnatosti, dřeně a jiných vad a z výsledků těchto zkoušek usuzujeme na vlastnosti dřeva i s vadami. U dřeva určeného pro stavební konstrukce se zjišťují hlavně jeho fyzikálně mechanické vlastnosti.tyto vlastnosti jsou různé z hlediska průběhu vláken ve dřevě (obrázek 4.1), a proto se mnohé zkoušky provádějí ve více směrech. (obrázek 4.2). Na výsledky zkoušek má velký vliv také vlhkost dřeva.
VE SMĚRU VLÁKEN VLASTNOST NAPŘÍČ VLÁKEN PŘÍČNÝ (TRANSVERZÁLNÍ) SMĚR RADIÁLNÍ SMĚR TANGENCIÁLNÍ TEČNÝ (TANGENCIÁLNÍ) STŘEDOVÝ (RADIÁLNÍ) RADIÁLNÍ PLOCHA TANGENCIÁLNÍ PLOCHA Obrázek 4.1 Řezy dřevem Obrázek 4.2 Směry zkoušení vlastností dřeva Zkušební tělesa, jejichž tvar, rozměry, orientace vláken a letokruhů, zpracování ploch apod. je určen požadavky ČSN, jsou pro cvičení předem připravena. 4.4 Objemová hmotnost dřeva (ČSN 49 0108) 4.4.1 Podstata zkoušky Měřením rozměrů a vážením tělesa s přirozenou vlhkostí W zjistíme jeho objem a hmotnost. Protože dřevo snadno přijímá vodu, rozlišujeme tři různé objemové hmotnosti dřeva: a) objemová hmotnost při vlhkosti W - je hmotnost objemové jednotky dřeva při vlhkosti W; b) objemová hmotnost v suchém stavu - je hmotnost objemové jednotky zcela vysušeného dřeva; c) redukovaná objemová hmotnost - je hmotnost zcela suchého dřeva v objemové jednotce dřeva o vlhkosti nad mezí nasycení buněčných stěn, která činí přibližně 30% [1, str.162]. Ve cvičení budeme zjišťovat objemovou hmotnost dřeva s přirozenou vlhkostí W (v % hmotnosti), která má pro stavební praxi největší význam. 4.4.2 Zkušební zařízení a potřeby posuvné měřítko; analytické váhy. 4.4.3 Zkušební postup Norma předepisuje pro zkušební tělesa tvar pravoúhlého hranolu se základnou 20 20 (mm) a délkou podél vláken (25±5) mm. Rozměry zkušebního tělesa - 19 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 změříme posuvným měřítkem s přesností 0,1 mm. Hmotnost zkušebního tělesa zvážíme s přesností 0,01 g. 4.4.4 Měřené veličiny a výpočet m w je hmotnost zkušebního tělesa při vlhkosti W v kg; a w, b w, l w jsou rozměry zkušebního tělesa při vlhkosti W v m. Objemovou hmotnost ρ w dřeva při vlhkosti W v době zkoušky v kg/m 3 vypočítáme podle vzorce m b w ρ w = (4.1) w w w a l 4.4.5 Vyhodnocení Vypočtenou hodnotu objemové hmotnosti ρ w zaokrouhlete na 5 kg/m 3. 4.5 Vlhkost dřeva (ČSN 49 0103) 4.5.1 Podstata zkoušky Hmotnostní vlhkost dřeva stanovíme jako procentuální podíl hmotnosti vody obsažené ve vlhkém vzorku ku hmotnosti téhož vzorku ve stavu vysušeném. 4.5.2 Zkušební zařízení a pomůcky váhy a přesností 0,01g; sušička umožňující regulování teploty v rozmezí (103±2) C; exsikátor s hygroskopickou látkou. 4.5.3 Zkušební postup Norma předepisuje pro zkušební tělesa tvar pravoúhlého hranolu o objemu (10±2) cm 3, přednostně pak se základnou 20 20 (mm) a délkou podél vláken (25±5) mm. Vlhké zkušební těleso (v našem případě vzorek ponořený do vody) odvážíme s přesností 0,01 g. Zkušební těleso vysušíme při teplotě (103±2) C do ustálené hmotnosti (t.j. změna hmotnosti mezi dvěma váženími prováděnými po dvou hodinách nepřekročí 0,01 g). Poté jej ochladíme v exsikátoru a vzápětí rychle zvážíme (aby přírůstek vlhkosti nebyl větší než 0,1%) s přesností 0,01 g. V našem případě předpokládáme, že vzorek uložený v exsikátoru je vysušený předepsaným způsobem.
4.5.4 Měřené veličiny a výpočet m 1 m 2 je hmotnost zkušebního tělesa ve stavu vlhkém v g (s přesností min. 0,01 g); je hmotnost zkušebního tělesa po vysušení v g (s přesností min. 0,01 g). Vlhkost dřeva W v % je m1 m2 W = 100 (4.2) m 2 4.5.5 Vyhodnocení Výsledek uveďte s přesností 1,0% 4.6 Zjišťování bobtnání dřeva (ČSN 49 0126) Bobtnání dřeva je způsobeno objemovými a délkovými změnami dřevních vláken při změně vlhkosti. Střídavé sesýchání a bobtnání dřeva se nazývá pracování dřeva. 4.6.1 Podstata zkoušky Podstatou metody je zjištění délkových rozměrů zkušebního tělesa v úplně suchém stavu (nebo při normalizované vlhkosti) a ve stavu při vlhkosti rovné nebo větší než je mez hygroskopicity buněčných stěn [1] a zjištění změn těchto rozměrů v poměru k rozměrům v úplně vysušeném stavu. 4.6.2 Zkušební zařízení a potřeby mikrometrický šroub; sušička umožňující regulování teploty v rozmezí (103±2) C; exsikátor s hygroskopickou látkou; nádoba s destilovanou vodou. 4.6.3 Zkušební postup Normová zkušební tělesa mají tvar pravoúhlého hranolu se základnou 20 20 (mm) a výškou 10 mm až 30 mm. Zkušební těleso vysušíme při teplotě (103±2) C do ustálení rozměrů (t.j. rozdíl mezi dvěma měřeními prováděnými po 2 h není větší než 0,02 mm) a ochladíme v exsikátoru. V průsečících úhlopříček ploch změříme rozměry zkušebního tělesa v radiálním a tangenciálním směru a ve směru podél vláken, vše s přesností 0,01 mm. Zkušební těleso potom namáčíme v destilované vodě o teplotě (20±2) C do ustálení rozměrů. V našem případě předpokládáme že vzorek uložený ve vodě je nasycen na požadovanou hodnotu. Měření rozměrů provádíme obdobně jako v suchém stavu. - 21 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 4.6.4 Měřené veličiny a výpočet l r max, l t max, l a max jsou rozměry zkušebního tělesa ve směrech radiálním (r), tangenciálním (t) a podél vláken (a) při vlhkosti rovné nebo větší než je mez hygroskopicity buněčných stěn v mm; l r min, l t min, l a min jsou rozměry zkušebního tělesa ve směru radiálním (r), tangenciálním (t) a podélvláken (a) ve stavu vysušeném, v mm. Hodnoty největšího bobtnání a max v příslušných směrech v % jsou a r max = l r max lr lr min min 100, a t max = lt lt lt min max min 100, a a max l = a max l la min a min 100 (4.3) Hodnota objemového bobtnání a V max v % je a V max (lr max lt max l a max ) (lr min lt min l a min ) = 100 (4.4) lr min lt min la min 4.6.5 Vyhodnocení Výsledky ve směru napříč vláken (r - radiálním, t - tangenciálním) uveďte s přesností 0,1%, ve směru podél vláken (a) s přesností 0,01%, neboť zde je bobtnání mnohem menší. 4.7 Pevnost v tlaku ve směru vláken (ČSN 49 0110) Hodnota meze pevnosti dřeva v tlaku ve směru vláken je jedním z rozhodujících údajů pro použití dřeva ve stavební konstrukci. Ve směru vláken je dřevo nejméně stlačitelné. 4.7.1 Podstata zkoušky Podstatou zkušební metody je zjištění maximálního zatížení při porušení zkušebního tělesa v tlaku a výpočet tlakového napětí v průřezu při tomto zatížení. 4.7.2 Zkušební zařízení a pomůcky posuvné měřítko; zkušební lis se zkušebním přípravkem. 4.7.3 Zkušební vzorky Zkušební tělesa mají tvar pravoúhlého hranolu se základnou 20 20 mm a délkou podél vláken 30 mm.
4.7.4 Zkušební postup V polovině výšky zkušebního tělesa změříme rozměry průřezu a a b s přesností 0,1 mm. Vlastní provedení zkoušky je znázorněno na obrázku 4.3. Zkušební těleso (C) uložíme do přípravku na dvě destičky z kalené oceli (A, B) dotýkající se kulovými povrchy. Rovnoměrně zatěžujeme při konstantní rychlosti namáhání. Odečteme maximální zatížení F max při porušení vzorku. F C A B 4.7.5 Měřené veličiny a výpočet F max je maximální zatížení v N; a, b jsou rozměry průřezu zkušebního tělesa v mm; W je vlhkost zkušebního tělesa; Obrázek 4.3 Tlak ve směru vláken α je opravný vlhkostní koeficient stejný pro všechny dřeviny, α = 0,04. Mez pevnosti σ W v MPa při vlhkosti zkušebního tělesa W je σ W = F max ab (4.5) Zjištěná mez pevnosti σ W se přepočítává pro 12% vlhkost dřeva na σ 12 v MPa podle vzorce [ ] σ12 = σw 1+ α (W 12 ) (4.6) 4.7.6 Vyhodnocení Vypočtenou hodnotu zaokrouhlete na 0,5 MPa. Příklad 9.1 Určete sílu F max potřebnou k porušení vzorku dřeva ve směru vláken, jestliže má pevnost ve směru vláken R W = 48 MPa a rozměry 20 mm ve směru radiálním, 21 mm v tangenciálním a 31 mm ve směru vláken. (klíč: 20,16 kn) Příklad 9.2 Jaký minimální průřez a min musí mít 2 dřevěné podpěry čtvercového průřezu pod bedněním, kterým je přenášeno zatížení 60 tun. Předpokládejte, že podpěry jsou umístěny v podélné ose symetricky (hodnoty reakcí jsou stejné), zatíženy rovnoměrně dostředně a jejich únosnost není ovlivněna vzpěrem. Výpočtová pevnost dřeva v tlaku ve směru vláken je R d = 12 MPa. (klíč: 49050 mm 2, 156,6 mm) - 23 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 4.8 Konvenční mez pevnosti v tlaku napříč vláken (ČSN 49 0112) Zkouškou se zjišťuje konvenční (smluvní) mez pevnosti (mez úměrnosti) dřeva v tlaku napříč vláken v radiálním nebo tangenciálním směru z deformace dřeva způsobené tlakem na celou plochu nebo část plochy zkušebního tělesa. Při působení tlaku napříč vláken se dřevo více deformuje než při zkoušce v tlaku ve směru vláken, přičemž až do konvenční meze pevnosti dřeva v tlaku se chová pružně (přímková část diagramu deformace - zatížení na obrázku 4.5). Za touto mezí dochází ke vzniku výrazných trvalých deformací, které považujeme prakticky za porušení dřeva. 4.8.1 Podstata zkoušky U zkoušky v tlaku napříč vláken je nutné sílu odpovídající konvenční pevnosti odečíst předepsaným způsobem z pracovního diagramu (obrázek 4.5), neboť zatěžovací síla narůstá i po dosažení této meze. Při výpočtu konvenční pevnosti tuto graficky odečtenou hodnotu sílu dělíme tlačnou plochou, která je v našem D A F Obrázek 4.4 Stanovení pevnosti v tlaku napříč vláken B C případě soustředného místního namáhání dána šířkou tělesa a šířkou zatěžovacího ocelového hranolku (obrázek 4.4). Zkušební zařízení a pomůcky zkušební lis; ocelový zaoblený hranol (A); snímač deformací (B) měřící ústředna (C); ocelová podložka (D); posuvné měřítko; tiskopis pracovního diagramu. 4.8.2 Zkušební postup Norma předepisuje pro zkušební tělesa tvar pravoúhlého hranolu se základnou 20 20 (mm) a délkou podél vláken 30 mm nebo 60 mm. Je nutné, aby zkušební těleso mělo minimálně 5 letokruhů. Šířku zkušebního tělesa (v tangenciálním směru při radiálním tlaku, v radiálním směru při tangenciálním tlaku) měříme v ose symetrie s přesností 0,1 mm. Zkušební těleso vložíme do zkušebního zařízení podle obrázku 4.4 a plynule zatěžujeme. Pro měkké dřeviny je dovoleno použít interval přírůstku zatížení 200 N. Deformace měříme číselníko-
vým úchylkoměrem nebo jiným snímačem deformací s přesností alespoň 0,01 mm. Ve zkoušce pokračujeme až do viditelného překročení konvenční meze pevnosti. Deformaci dřeva způsobenou tlakem na část plochy zkušebního tělesa znázorníme v diagramu zatížení-deformace. Na křivce vyhledáme dotykový bod P tečny t tak, aby tangens úhlu γ, který svírá tečna s osou zatížení, byl 1,5 větší než tangens úhlu β, který svírá s osou zatížení přímková část křivky (obrázek 4.5). Postup je následující: a) lineární částí diagramu proložíme přímku p, která protne libovolně zvolenou svislici pod úhlem β v bodě A; b) graficky sestrojíme podmínku tg γ = 1,5 tg β tak, že z libovolného bodu B na zvolené svislé ose vztyčíme kolmici, která protne p v bodě C. Polovinu vzdálenosti BC přeneseme do bodu D. Spojnice AD ť svírá hledaný úhel γ. Rovnoběžně s ť vedeme tečnu k pracovnímu diagramu t, jejíž průsečík P s přímkou p má svislou souřadnici rovnu hledanému zatížení F v N. 4.8.3 Měřené veličiny a výpočet a je šířka zkušebního tělesa v mm; 18 je hodnota účinné šířky ocelového hranolu v mm; F W je zatížení odpovídající dohodnuté mezi pevnosti ve směru tangenciálním (t) nebo ve směru radiálním (r), v N; je vlhkost zkušebního tělesa; α je opravný vlhkostní koeficient stejný pro všechny dřeviny, α = 0,035. Konvenční mez pevnosti v tlaku napříč vláken σ kw v MPa ve směru tangenciálním nebo radiálním vypočteme podle σ t ( r ) kw F = 18 a (4.7) Zjištěná konvenční mez pevnosti σ kw se přepočítává pro vlhkost 12% na σ k12 v MPa podle vzorce σ = σ [ + α )] k12 kw 1 (W 12 (4.8) - 25 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 4.8.4 Vyhodnocení Vypočtenou hodnota zaokrouhlete na 0,1 MPa. 4.9 Rázová houževnatost v ohybu Houževnatost dřeva je schopnost odolávat dynamickému (rázovému) namáhání ohybem. 4.9.1 Podstata zkoušky Podstatou metody je zjištění energie potřebné k porušení tělesa při působení dynamického zatížení v ohybu. Rázovou houževnatost vypočítáme z poměru energie a příčných rozměrů zkušebního tělesa. 4.9.2 Zkušební zařízení a pomůcky posuvné měřítko; rázové kyvadlové kladivo CHARPY. 4.9.3 Zkušební postup Zkušební tělesa mají tvar pravoúhlého hranolu se základnou 20 20 (mm), délka podél vláken je 300 mm. Jedna boční hrana zkušebního tělesa musí být v radiální, druhá v tangenciální rovině. Ve středu délky zkušebního tělesa změříme šířku v radiálním a výšku v tangenciálním směru s přesností 0,1 mm. Vlastní zkoušku provedeme kyvadlovým kladivem Charpy, které pracuje na principu změny polohové potenciální energie v kinetickou (obrázek 4.6). Vzorek umístíme do přístroje umístí tak, Obrázek 4.6 Schéma Charpyho kyvadla aby byl porušen jediným úderem kladiva na radiální povrch (při tangenciálním ohybu). Nastavíme počáteční polohovou energii zafixováním kladiva pod úhlem počátečního vychýlení. Kladivo po uvolnění jediným úderem poruší zkoušený vzorek. Na úchylkoměru přístroje pomocí vlečného ukazatele odečteme velikost úhlu překyvu po přeražení vzorku.
4.9.4 Měřené veličiny a výpočet b, h jsou rozměry zkušebního tělesa v radiálním a tangenciálním směru v cm; m je hmotnost kyvadla v kg (v našem případě m = 19,38 kg); a je rameno kyvadla v m (v našem případě a = 0,80 m); g je tíhové zrychlení (g = 9,80665 m/s 2 ); ϕ 1 je velikost úhlu vychýlení kyvadla pro počáteční polohu ve stupních; ϕ 2 je velikost úhlu překyvu ve stupních; W je vlhkost zkušebního tělesa; α je opravný vlhkostní koeficient stejný pro všechny dřeviny, α = 0,02. Práci Q v J potřebnou pro přeražení zkušebního vzorku určíme ze vztahu Q = q m a ( cosϕ2 cosϕ1 ) (4.9) 2 Rázovou houževnatost A W v J/cm při vlhkosti materiálu W v okamžiku zkoušky vypočteme ze vztahu Q A = W b h (4.10) Zjištěná rázová houževnatost A W se přepočítává pro vlhkost 12% na A 12 v J/cm 2 dle vztahu [ α )] A12 = A W 1+ (W 12 (4.11) 4.9.5 Vyhodnocení Vypočtenou hodnotu rázové houževnatosti zaokrouhlete na 0,1 J/cm 2. Kontrolní otázky 1. Jaké znáte hlavní řezy dřevem? 2. Jaké jsou rozměry zkušebního tělesa u zkoušky pevnosti v tlaku ve směru vláken? 3. Jak se určuje konvenční mez pevnosti v tlaku napříč vláken? 4. Co je to rázová houževnatost v ohybu? Korespondenční úkol D/1 Kolik m 3 dřeva při vlhkosti W = 28% můžeme naložit na automobilový přívěs nosnosti 8 tun, když objemová hmotnost suchého dřeva ρ W=0 = 500 kg/m 3. ( klíč: 640 kg/m 3, 12,5 m 3 ) D/2 Určete objemovou hmotnost vzorku dřeva rozměrů 20 20 30 mm v suchém stavu ρ W=0, je-li při vlhkosti W = 10% jeho hmotnost m W=10% = 8,184 g. (klíč: 7,44g, 620 kg m -3 ) - 27 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 D/3 Lineární bobtnání dřeva je ve směru vláken a a max = 0,1%, v tangenciálním směru a t max = 12%. Z vysušeného dřeva byla vyskládána plocha A = 3 x 3 m. Vypočtěte o kolik m2 se plocha A zvětší nasycením dřeva vodou. (klíč: 3,003 m, 3,360 m, 1,09 m 2 ). D/4 Na desky ze smrkového dřeva o rozměrech 3000 150 25 mm při vlhkosti W = 15% napršelo. Po dešti byla zjištěna vlhkost materiálu W = 25%. Jak se změnily rozměry desek, jestliže součinitelé bobtnání na 1% stupeň vlhkosti v rozsahu (15-30)% pro měkké dřevo jsou a a = 0,02% ve směru vláken, a t = 0,24% v tangenciálním a a r = 0,12% v radiálním směru. (klíč: 3006 mm, 153,6 mm, 25,3 mm) 5 Zkoušení polymerů 5.1 Cíle Cílem kapitoly je provést některé zkoušky mechanických vlastností a základní identifikační zkoušky vybraných druhů polymerů. 5.2 Doba potřebná ke studiu Časová náročnost této kapitoly je 100 min. 5.3 Stanovení tahových vlastností folií z plastů a trubek z termoplastů Jedná se o dvě různé zkoušky s mnoha společnými znaky. Při zkouškách zjišťujeme chování folií a vzorků vyrobených z trubek při namáhaných jednoosým tahem. Obvykle jakost folií i materiálu trubek posuzujeme podle meze pevnosti v tahu (nebo meze kluzu) a podle tažnosti. 5.3.1 Princip zkoušky Princip zkoušky spočívá v namáhání zkušebního tělesa tahem při stanovené rychlosti deformace až do jeho přetržení za účelem určení mechanických vlastností. 5.3.2 Zkušební zařízení a pomůcky posuvné měřítko; číselníkový úchylkoměr; ocelové milimetrové měřítko; podložka a nůž na dělení vzorků;
zkušební stroj o rozsahu do 1000 N s přípravkem na upnutí zkušebních vzorků. 5.3.3 Postup při zkoušce fólií (ČSN EN ISO 527-3) Zjistíme počáteční šířku vzorku b posuvným měřítkem s přesností 0,1 mm a počáteční tloušťku d číselníkovým úchylkoměrem s přesností 0,01 mm. Zkušební těleso upneme do čelistí zkušebního stroje a na délkové stupnici stroje odečteme hodnotu počáteční měřené délky L o. Upevnění tělesa do zkušebního přípravku musí v co největší míře omezit možnost proklouznutí v čelistech. Zkušební těleso zatěžujeme plynule bez rázů rovnoměrně narůstající tahovou silou až do přetržení. Na délkové stupnici stroje odečteme hodnotu konečné měřené délky L u. a na siloměrné stupnici stroje zjistíme hodnotu největší dosažené síly při zkoušce F; v případě použití mechanické trhačky se závažím odečteme hodnotu největší dosažené hmotnosti závaží m. 5.3.4 Postup při zkoušce trubek t termoplastů Zkušební těleso má tvar osmičky (obrázek 5.1), jeho rozměry se řídí předmětovou normou. Z dodané trubky vyřízneme podélné pásky, jejichž počet závisí na rozměru trubky. Z nich připravíme zkušební tělesa buď vysekávacím nožem nebo strojním obráběním. V obrobené části těles se vyznačí dvě kontrolní rysky jako počáteční měřená délka L o. Pro zkoušky polymerů je velmi důležitá teplota, takže tělesa se kondicionují při (23±2) C. Změříme nejmenší šířku b a tloušťku d tělesa mezi kontrolními ryskami s přesností 0,01 mm a vypočteme počáteční průřez A. Zkušební těleso upneme do čelistí stroje ve směru tahové síly a nastavíme předepsanou rychlost zkoušení. V našem případě hodnoty síly na mezi kluzu a měřené délky v okamžiku přetržení zaznamenáme přímo. Při přetržení mimo kontrolní rysky těleso vyřadíme. 5.3.5 Měřené veličiny b, d jsou šířka a tloušťka zkušebního tělesa v mm; A = b d je počáteční plocha průřezu v mm 2 ; L o je počáteční měřená délka odečtená na stupnici stroje nebo mezi ryskami v mm; L u je konečná měřená délka odečtená po přetržení v mm; m je největší hmotnost závaží v kg; 115 33 6 L o Obrázek 5.1 Zkušební těleso z termoplastové trubky 15-29 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 F je síla na mezi kluzu nebo největší síla při zkoušce tahem v N; F = g m = 9,81 m 5.3.6 Výpočet Mez kluzu σ y v MPa nebo mez pevnosti v tahu σ max v MPa vypočítáme ze vzorce σ = F A (5.1) Tažnost ε v % vypočítáme ze vzorce ε = L u L L o o 100 (5.2) 5.3.7 Zpracování výsledků zkoušky Uveďte, zda jste počítali napětí na mezi kluzu nebo mez pevnosti v tahu. V obou případech výsledky zaokrouhlete na tři platné číslice. Hodnotu tažnosti zaokrouhlete na dvě platné číslice. 5.4 Identifikační zkoušky 5.4.1 Stanovení vnějších vlastností Druh polymeru můžeme často snadno určit podle vnějších vlastností výrobku. Posuzujeme: tvar (výlisek, fólie, vlákno, lehčená hmota); povrch (lesklý, matný, drsný, lepivý, voskový); zbarvení (barevný odstín, průhlednost); tvrdost (podle vrypu kovovým hrotem); soudržnost (houževnatost, křehkost, rozpad působením tlaku, vlhkosti). 5.4.2 Stanovení chování v plameni Upřesnění poznatků o podstatě hmoty umožňuje její chování v teple, případně při tepelném rozkladu ve zkumavce nebo při chemickém rozkladu v rozpouštědle. Velmi rychlá a průkazná je zkouška v nesvítivém plameni plynového hořáku, do něhož se vloží odřezek hmoty v kleštích. Chování hmoty sledujeme z hlediska: hořlavosti; barvy a charakteru plamene; barvy a zápachu dýmu; průvodních jevů.
Chování některých polymerů může být výrazně ovlivněno obsahem plniv, změkčovadel a jiných látek v základní hmotě. Některé monomery obsažené ve splodinách hoření jsou zdraví škodlivé, a proto je třeba při zkoušce postupovat opatrně a nadměrně nevdechovat vzniklý dým. Látky, jejichž splodiny jsou jedovaté, nebudou ve cvičení zkoušeny. V tabulce 10.1 jsou uvedeny typické znaky vybraných polymerů. 5.4.3 Provedení zkoušky Uchopte do kleští neznámý vzorek polymeru a vložte ho do plamene až začne hořet. Poté vzorek oddalte od plamene. Zapište si údaje o hoření polymeru a podle tabulky 5.1 proveďte jeho identifikaci. Zkrat -ka PVC PVC Název polymeru Polyvinylchlorid neměkčený Barva, zápach a škodlivost dýmu hnědý, ostrý po chloru, kyselý, jedovatý hnědý, zápach ovlivněn změkčovadly světle šedý, po tmavém parafínu světle šedý, po spáleném kaučuku Polyvinylchlorid měkčený Hořlavost po oddálení plamene uhasíná po oddálení plamene uhasíná PE polyetylén hoří dobře PP polypropylén hoří dobře PA polyamid hoří váhavě PM- MA Polymetylmetakrylát hoří dobře PS polystyrén hoří rychle CA BK acetát celulózy butadienový kaučuk hoří dobře lehce Barva a charakter plamene žlutý, zeleně zbarvená základna žlutý, zeleně zbarvená základna svítivý, modrý střed svítivý, modrý střed, čadí modrý se žlutou čepičkou modrý s bílou čepičkou, praská oranžový, svítivý, čadivý žlutozelený, jiskřící tmavožlutý, dýmavý Tabulka 5.1 Chování některých polymerů v plameni světle šedý, po spálené rohovině světle šedý, nasládlý, po ovoci a květinách hustý, černý, po pelargoniích, jedovatý tmavě šedý, octový, po spáleném papíru hustý, černý tvořící saze, kaučukový zápach Průvodní jevy zduřelý černý příškvar, okolí zhnědlé zduřelý černý příškvar, okolí zhnědlé tavenina odkapává, lze vytáhnout vlákno tavenina odkapává, lze vytáhnout vlákno tavenina pění, odkapává, lze vytáhnout vlákno zhnědlý příškvar prostoupený bublinkami lehký černý popel, saze ve vzduchu při hoření pění, tvoří příškvarky měkne, nafukuje se - 31 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 5.4.4 Zkušební zařízení a pomůcky posuvné měřítko; zkušební lis; zatěžovací přípravek. 5.4.5 Postup zkoušky Rozměry zkušebního vzorku změříme s přesností: šířku b do 0,1 mm, tloušťku h do 0,02 mm. Vzdálenost opěrných hran L V v mm je stanovena jako násobek tloušťky: L V = 16 h. Hodnotu předepsaného průhybu f určují jakostní normy, zpravidla f =1,5 h. Obrázek 5.2 Uspořádání ohybové zkoušky tuhého polymeru Zkušební těleso umístíme do lisu na podpory nastavené podle předchozích výpočtů (obrázek 5.2). Plynule bez rázů zatěžujeme do zlomení zkušebního tělesa, maximálně však do dosažení předepsaného průhybu f, přičemž velikost průhybu průběžně sledujeme na délkové stupnici lisu. Při zlomení zkušebního tělesa přečteme na délkové stupnici lisu hodnotu dosaženého průhybu f a na siloměrné stupnici tomu odpovídající hodnotu zatížení F max. Pokud nedojde k porušení tělesa, odečteme při dosažení předepsaného průhybu f na siloměrné stupnici lisu hodnotu zatížení F f. 5.4.6 Měřené veličiny b, h jsou šířka a tloušťka zkušebního tělesa v mm; L V f f F je vzdálenost opěrných hran v mm; je dosažený průhyb při porušení tělesa v mm; je předepsaný průhyb vypočtený z tloušťky tělesa v mm; je buď F max - největší zatížení při porušení tělesa před dosažením předepsaného průhybu v N, nebo F f - zatížení odečtené při dosažení předepsaného průhybu f v N. Ohybové napětí obecně určíme jako poměr ohybového momentu M a průřezového modulu W. Smluvní napětí v ohybu při předepsané hodnotě průhybu σ f v MPa nebo mez pevnosti v ohybu R tf v MPa vypočítáme podle vzorce
( R ) M 3 F L = = (5.3) 2 W 2 bh σ f f V 5.4.7 Zpracování výsledků zkoušky Uveďte, zda při zkoušce došlo k porušení zkušebního tělesa či nikoliv. Hodnotu smluvního napětí v ohybu nebo meze pevnosti v ohybu zaokrouhlete na tři platné číslice. Kontrolní otázky 1. Jakým způsobem stanovíme při tahové zkoušce fólie tažnost? 2. Jaké vlastnosti posuzujeme při identifikaci polymerů? 3. Jaká je vzdálenost opěr při ohybové zkoušce? Korespondenční úkol P/1 K přetržení kruhového vlákna z polyamidu o pevnosti 400 MPa bylo zapotřebí síly 314,16 N. Jak široká by měla být fólie z polyetylénu, aby snesla stejné zatížení? Fólie obdélníkového průřezu má stejnou tloušťku jako je průměr vlákna, ale má 20 menší tahovou pevnost. (klíč: d = 1,0 mm; b = 15,71 mm) P/2 Vypočtěte tažnost zkušebního vzorku, jestliže konečná měřená délka L u je 3,5 větší než počáteční měřená délka L o. (klíč: 250 %) P/3 Vypočítejte příčné rozměry zkušebního vzorku polyamidu, znáte-li: smluvní napětí v ohybu při předepsaném průhybu je 40,0 MPa; síla při dosažení předepsaného průhybu byla 605 N; víte, že šířka je trojnásobkem tloušťky vzorku (b = 3 h); rozpětí vzorku je L = 16 h; průřezový modul w = (b h 2 ) / 6, ohybový moment M = (F L) / 4. (klíč: 11 a 33 mm) 6 Zkoušení stavební oceli 6.1 Cíle V této kapitole se seznámíte se způsobem značení stavebních ocelí, identifikací betonářské výztuže podle tvaru žebírek,způsoby určování rozměrů zkušebních vzorků. Hlavní zkouškou je tahová zkouška oceli s výraznou mezí kluzu. 6.2 Doba potřebná ke studiu Časová náročnost této kapitoly je 150 min. - 33 (44) -
Stavební látky - laboratorní cvičení 2 6.3 Stavební ocel 6.3.1 Základní vlastnosti oceli Ocel je ve stavebnictví používána velmi často a většinou tvoří součást nosných konstrukcí. Proto je k ověření mechanických, technologických a fyzikálních vlastností oceli předepsána celá řada zkoušek. Podrobný přehled vlastností je uveden v [1], zde uvádíme pouze základní normové hodnoty vlastností stavebních ocelí související s náplní cvičení: hustota a objemová hmotnost 7850 kg/m 3 ; modul pružnosti 210 000 MPa; pevnost v tahu (podle obsahu uhlíku) 250 až 2 000 MPa; tažnost - houževnaté oceli přes 20 %; - křehké oceli méně než 10 %. 6.3.2 Značení ocelí Stavební ocel se označuje nejčastěji pětimístným číslem, případně se přidá další doplňková číslice za tečkou. Co jednotlivé číslice znamenají ukazuje příklad značení pro oceli 10505 a 11373 v tabulce 6.1. Ocel Označení 10505 11373 První dvojčíslí 10 - stavební ocel 11 - strojní ocel označuje Druhé dvojčíslí u tyčí pro výztuž do betonu: značí 50 - přibližně 1/10 nejnižší meze kluzu v MPa v tahu v MPa Pátá číslice znamená význačná vlastnost betonářské oceli u konstrukčních ocelí: 37-1/10 pevnosti u konstrukčních ocelí 3 - význam pouze pořadový 5 - zaručená svařitelnost Poznámka: doplňková číslice za tečkou u stavebních ocelí buď žádná není, anebo např..1 - normalizačně žíhaná ocel,.9 - termicky zušlechtěná Tabulka 6.1 Význam číselného označení na příkladu ocelí 10505 a 11373
6.4 Identifikace betonářských ocelí Vlastnosti betonářských ocelí jsou uvedeny v normách. Ocel má svoji materiálovou normu, jejíž číslo souvisí s označením oceli (např. ocel 10505 - norma Obrázek 6.1 Tvar žebírek u vybraných druhů betonářské výztuže ČSN 41 0505). V materiálové normě je mimo jiné uvedeno chemické složení, pevnost v tahu, nejnižší mez kluzu, nejnižší tažnost apod. Dále je zde citována rozměrová norma oceli, v níž jsou důležité údaje o vyráběných profilech, tolerancích rozměrů, tvaru žebírek apod. - 35 (44) -