Materiały budowlane mają wiele właściwości, które decydują o ich zastosowaniu.

Do podstawowych właściwości fizycznych, które określają wartość techniczną materiału, zalicza się: gęstość, gęstość pozorną, szczelność, porowatość, wilgotność, nasiąkliwość, higroskopijność, kapilarność, odporność na zamrażanie, przewodność cieplną, rozszerzalność cieplną i ognioodporność.

GĘSTOŚCIĄ (gęstością właściwą -
) nazywa się masę jednostki objętości materiału w stanie zupełnej szczelności (bez porów). Gęstość oblicza się ze wzoru:

gdzie:

- masa próbki [g],

- objętość próbki bez porów [cm³].

W praktyce budowlanej gęstość służy przeważnie do obliczania porowatości lub szczelności. Zależy ona przede wszystkim od składu chemicznego materiału. Gęstość materiałów pochodzenia mineralnego, np. kamieni naturalnych, wynosi 2,3 - 3,5 [g/cm^-3], materiałów pochodzenia organicznego waha się od 1,0 do 1,6 [g/cm^-3], natomiast gęstość metali jest bardzo różna i wynosi od 1,7 do 20,0 [g/cm^-3].

Aby obliczyć gęstość materiału, należy go wysuszyć do stałej masy (temperatura suszenia zależy od budowy chemicznej materiału). Pomiar objętości „absolutnej” przeprowadza się bądź w piknometrze (pomiar dokładny) bądź w objętościomierzu Le Chateliera (pomiar przybliżony)stosowanym często w badaniu materiałów budowlanych.

GĘSTOŚCIĄ POZORNĄ (gęstością objętościową
) nazywa się masę jednostki objętości wysuszonego materiału łącznie z porami. Gęstość pozorną określa się ze wzoru:

gdzie:

- masa materiału suchego w stanie dowolnej porowatości [g],

- objętość materiału [cm³]

W praktyce gęstość pozorną określa się w kg·m^-3 , t·m^-3. Gęstość pozorna zależy przede wszystkim od struktury materiału. Jest ona przeważnie mniejsza od gęstości tego samego materiału. Niektóre materiały, takie jak szkło, stal, bitumy, ze względu na strukturę jednorodną mają gęstość równą gęstości pozornej. Gęstość pozorna materiału ma duże znaczenie praktyczne - pozwala w przybliżeniu określić inne jego właściwości, a zatem ocenić przydatność materiału do budowy poszczególnych elementów budowli. Przykładowo materiał o niskiej gęstości pozornej jest materiałem porowatym, dobrym izolatorem ciepła, ma stosunkowo niską wytrzymałość i najczęściej znaczną nasiąkliwość. Gęstość pozorna jest podstawą ustalenia obciążeń elementów budowli, określenia udźwigu potrzebnych podnośników i urządzeń transportowych itp.

Gęstość pozorną nazywaną nasypową materiałów sypkich oznacza się przy użyciu objętościomierza cylindrycznego, w którym mierzy się objętość (V) w dm³ próbki. Następnie próbkę waży się (m) w kg i ze wzoru oblicza się gęstość pozorną.

SZCZELNOŚCIĄ materiału nazywa się stosunek gęstości pozornej do gęstości tego materiału. Szczelność oblicza się ze wzoru:

gdzie:

- gęstość pozorna

- gęstość

Szczelność jest w zasadzie mniejsza od jedności. Jeżeli S=1, materiał jest całkowicie szczelny (jednorodny). Szczelność określa, jaką część całkowitej objętości zajmuje masa materiału bez porów (faza stała).

POROWATOŚCIĄ materiału nazywamy procentową zawartość wolnych przestrzeni w tym materiale. Jeżeli od jednostki objętości materiału odejmiemy objętość fazy stałej materiału (szczelność), to wynikiem tego działania będzie objętość wolnych przestrzeni, którą możemy wyrazić także w procentach. Wartość P obliczamy ze wzoru:

[%]

Podstawiając za
poprzednią wartość otrzymamy wyrażenie:

[%]

Porowatość materiałów budowlanych waha się od 0 (bitumy, szkło, metale) do 95% (wełna mineralna, pianka poliuretanowa).

NASIĄKLIWOŚĆ jest to zdolność pochłaniania wody przez dany materiał. Nasiąkliwość wyraża się w procentach w stosunku do masy (nasiąkliwość wagowa
) lub objętości materiału (nasiąkliwość objętościowa
). Nasiąkliwości te oblicza się za pomocą wzorów:

[%]

[%]

gdzie:

- masa próbki nasyconej wodą [g, kg]

- masa próbki suchej [g, kg]

- objętość próbki suchej [cm³, dm³]

Stosunek

tzn. jest liczbowo równy gęstości pozornej materiału. Stąd po przekształceniu otrzymuje się zależność:

Dla materiałów, których gęstość pozorna jest równa jedności, nasiąkliwość wagowa i objętościowa ma te same wartości. Dla materiałów o gęstości pozornej większej od jedności:
<
, dla materiałów zaś o
< 1 jest
>
. Nasiąkliwość wywiera znaczny wpływ na właściwości materiału. Materiał nasiąknięty woda ma mniejszą wytrzymałość, gorszą zdolność izolacji, i większą gęstość pozorną niż materiał suchy. Nasiąkliwość różnych materiałów waha się w granicach od 0% masy (szkło, metale) do powyżej 200% masy (drewno).

WILGOTNOŚCIĄ nazywa się procentową zawartość wody w danym materiale występującym w stanie naturalnym (rosnące lub ścięte drzewa, złoża skał) lub zawartość wody powstałą na skutek działania czynników atmosferycznych (zawilgocone kruszywo). Wilgotność określa się jako stosunek masy wody wchłoniętej przez materiał do masy materiału suchego za pomocą wzoru:

[%]

Przy wyznaczaniu wilgotności w laboratoriach prace sprowadzają się do wysuszenia wyrobu i oznaczenia różnicy mas w stanie wilgotnym i suchym. Większość wyrobów suszona jest w temperaturze 100 ÷ 105°C.

Wilgotność ma znaczny wpływ na przewodność cieplną materiału - wraz ze wzrostem wilgotności materiału powiększa się jego przewodność cieplna.

STOPIEŃ NASYCENIA (s) oznacza masę (ilość) wody zawartej w wyrobie porowatym podzieloną przez masę wody w stanie nasycenia (nasiąkliwości).

PRZEPUSZCZALNOŚĆ WILGOCI definiowana jest zależnością:

gdzie:

g - gęstość strumienia wilgoci prostopadłego do powierzchni warstwy,

- przepuszczalność wilgoci [m/s]

i
- wilgotności objętościowe otaczającego powietrza.

STRUMIEŃ WILGOCI jest masą (ilością) wilgoci (m) przenoszoną do/lub z układu podzieloną przez czas [s], gęstość zaś tego strumienia to strumień wilgoci podzielony przez powierzchnię [kg/m²·s]

OPÓR WILGOTNOŚCIOWY
określany jest jako odwrotność przepuszczalności wilgoci objętościowej:

Przepuszczalność wilgoci i opór wilgotnościowy dotyczy wyrobów stosowanych i w izolacjach cieplnych budynków.

HIGROSKOPIJNOŚCIĄ, zwaną także wilgotnością sorpcyjną materiału nazywa się zdolność wchłaniania pary wodnej z powietrza. Wilgotność materiału higroskopijnego jest zwykle większa niż wilgotność otoczenia. A zatem przy budowie elementów architektury ogrodowej należy unikać stosowania materiałów zawierających składniki higroskopijne. Materiały organiczne cechuje większa sorpcyjność niż materiały nieorganiczne. Małą higroskopijność wykazują ceramiki i wapienie, średnią- betony i gliny, dużą- piano- i gazobetony, a bardzo dużą- nie zabezpieczone drewno.

KAPILARNOŚCIĄ (włoskowatością) nazywa się zdolność podciągania w górę wody przez włoskowate kanaliki materiału. Występuje ona szczególnie wyraźnie w materiałach o strukturze drobnoporowatej, z porami otwartymi. Ze względu na tę właściwość między fundamentem i pozostałą częścią budowli układa się izolację przeciwilgociową, która uniemożliwia kapilarne podciąganie wody z zawilgoconego gruntu. Zdolność kapilarnego podciągania wody zależy od wewnętrznej budowy materiału.

PRZESIĄKLIWOŚCIĄ nazywamy podatność materiału na przepuszczanie wody pod ciśnieniem.

Przesiąkliwość materiału zależy od jego szczelności i budowy; szczególnie takie wyroby jak szkło, metale, bitumy są nieprzesiąkliwe, również nieprzesiąkliwe są materiały o porach zamkniętych (szkło piankowe).

ODPORNOŚCIĄ NA ZAMARZANIE (mrozoodpornością) nazywa się zdolność materiału nasyconego wodą do przeciwstawienia się zniszczeniu jego struktury podczas kolejnych wielokrotnych procesów zamarzania i odmarzania. Woda zamarzająca w porach materiału zwiększa swoją objętość przeciętnie o 9%, wywołując naprężenia rozsadzające tworzywo. Mrozoodporność zależy od wielkości porów zawartych w materiale. Temperatura zamarzania wody w porach jest niższa, im pory są mniejsze. Materiały drobnoporowte są bardziej odporne na zamarzanie, ponieważ zawarta w nich woda zamarza dopiero w niskiej temperaturze. Materiały o małej nasiąkliwości są przeważnie odporne na działanie mrozu. Mrozoodporność określa się ubytkiem masy oraz stratą wytrzymałości na ściskanie próbek.

PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA jest to zdolność materiału do przewodzenia ciepła od jednej powierzchni do drugiej. Właściwość tę charakteryzuje współczynnik przewodzenia ciepła
, który określa ilość ciepła przechodzącą przez powierzchnię 1m² materiału o grubości 1m w ciągu 1 h przy różnicy temperatury po obu stronach przegrody równej 1 ºC. Jednostką miary współczynnika przewodzenia jest
. Współczynnik
zależy od składu chemicznego materiału, stopnia jego porowatości i zawilgocenia. Dla różnych materiałów waha się on zwykle w granicach 0,035 - 1,75
. Niski współczynnik przewodzenia ciepła mają materiały porowate o niskiej gęstości pozornej, ale suche. Wzrost wilgotności materiału zwiększa przewodność cieplną. Między gęstością pozorną a wartością współczynnika przewodzenia ciepła istnieje zależność, dzięki której na podstawie znajomości gęstości pozornej można określić w przybliżeniu wartość
dla materiałów mineralnych.

W materiałach anizotropowych współczynnik
zależy od kierunku przepływu ciepła. Na przykład dla drewna przewodność cieplna wzdłuż włókien jest dwukrotnie większa niż w kierunku prostopadłym do układu włókien. Odpowiednie wartości dla drewna sosnowego wynoszą 0,35 i 0,16
. Materiały o drobnych porach mają mniejszą wartość
, niż wyroby o dużych porach. Podobnie materiały o porach zamkniętych są lepszym materiałem izolacyjnym niż z porami połączonymi ze sobą.

ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA wyraża zdolność materiału do zmiany wymiarów pod wpływem wzrostu temperatury. Właściwość tę charakteryzuje się za pomocą współczynników rozszerzalności liniowej
i objętościowej
. Współczynnik rozszerzalności liniowej jest przyrostem długości danego ciała do długości pierwotnej przy wzroście temperatury o jeden stopień. Oblicza się go za pomocą wzoru:

gdzie:

- przyrost bezwzględny długości [cm]

- długość pierwotna [cm]

- przyrost temperatury [ºC]

W praktyce inżynierskiej najczęściej interesuje nas przyrost długości pręta lub konstrukcji po podgrzaniu o
przy długości cząstkowej 1. Wówczas po przekształceniu powyższego wzoru otrzymamy:

Współczynnik rozszerzalności objętościowej
oznacza przyrost objętości materiału przy ogrzaniu o 1ºC. Wartość
oblicza się ze wzoru:

gdzie
jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej, lub ze wzoru:

gdzie:

- objętość próbki przy podgrzaniu o
[cm³]

- objętość próbki przed podgrzewaniem [cm³]

Nazwa materiału	[1/^oC]
Materiały kamienne, ceramika	0,3 - 0,9
Szkło	0,87 - 0,9
Betony cementowe i stal	1,2 - 1,3
Aluminium	2,4

OGNIOODPORNOŚĆ jest to zdolność materiałów budowlanych do opierania się wpływom wysokich temperatur w czasie pożaru. Materiały budowlane ze względu na palność klasyfikuje się na podstawie zachowania się materiału podczas badań w piecu probierczym. Umowna metoda badania i klasyfikacji do grup materiałów palnych lub niepalnych według norm polega na umieszczeniu próbki walcowej w piecu o temperaturze ścianek 825 ^oC i stwierdzeniu oznak palności (wzrost temp. w piecu, trwałe spalanie płomieniem, ubytek masy).

Na tej podstawie materiały dzielimy na: niepalne, niezapalne, trudno zapalne i łatwo palne.

RADIOAKTYWNOŚĆ NATURALNA materiałów budowlanych wpływa na warunki higieniczno - zdrowotne w środowisku mieszkalnym, może stanowić zagrożenie dla zdrowia mieszkańców, ponieważ odpady przemysłowe (takie jak popioły lotne z węgla kamiennego, żużle paleniskowe i hutnicze) które gromadzą się w budynkach jak i na obszarach większych aglomeracji zawierają zwiększoną ilość naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w porównaniu z innymi surowcami mineralnymi.

Wartości pojemności cieplnej właściwej c [2], gęstości substancji ro [3], współczynnika przewodzenia
ciepła lambda [5], dyfuzyjności termicznej a_T [6] substancji budowlanych, izolacyjnych i innych
w temperaturze T [4].

Substancja	c	ro	T	lambda	10^7aT
		kJ/(kg*K)	kg/m^3	K	W/(m*K)	m^2/s
1	2	3	4	5	6
Substancje budowlane
Asfalt	-	-	293	0,74	-
Bakelit	1,59	1273	293	0,232	1,14
Cegła:
Zwykła	0,84	1602	293	0,69	5,2
Licówka		2050	293	1,32
					873	18,5
	Karborundowa			1673	11,1
				473	2,32	9,2
	Chromitowa	0,84	3011	823	2,47	9,8
				1173	1,99	7,9
	Ziemia okrzemkowa (palona)			477	0,24
						1144	0,31
	Szamotowa (ogniotrwała - palona w 1603 K)			0,96	2050	773	1,04	5,3
						1073	1,07	5,4
						1373	1.09	5,5
	Magnezytowa			1,13		477	3,81
						923	2,77
						1477	1,90
Cement portlandzki		1500		0,29
Zaprawa murarska cementowa			297	1,16
Beton	0,88	1900-2300	273	0,81-1,40	4,0-8,4
Beton żużlowy			297	0,76
Szkło (płyta)	0,84	2700	293	0,76	3,2
Szkło (borokrzemowe)		2225	303	1,09
Tynk gipsowy	0,84	1440	294	0,48	4,0
Skała:
Granit	0,82	2640		1,73-3,93	8,0-18,3
Wapień	0,91	2480	373-573	1,26-1,33	5,6-5,9
Marmur	0,81	2500-2700	293	2,77	12,7-13,7
Piaskowiec	0,71	2160-2300	293	1,63-2,08	10,0-13,6
Drewno (z włóknami krzyżującymi się):
Balsa		140	303	0,055
Cyprys		465	303	0,097
Jodła	2,72	417	297	0,11	0,96
Dąb	2,39	480-600	303	0,17	1,30
Sosna żółta	2,81	640	297	0,16	0,91
Sosna biała		430	303	0,11

 

1	2	3	4	5	6
Drewno (promieniowe)
Jodła	2,72	417-421	297	0,14	1,2
Dąb	2,39	480-600	297	0,17-0,21	1,2-18
Substancje izolacyjne
Azbest		469	173 273	0,074 0,155
Azbest		577	273 373 473 673	0,151 0,192 0,208 0,223
Azbest		697	173 273	0,156 0,234
Cement azbestowy Cement azbestowy w płytkach Azbest w arkuszach			293 324	2,08 0,744 0,166
Azbest laminowany (40-warstwowy)			311 422 537	0,057 0,069 0,083
Azbest laminowany (20-warstwowy)			311 422 533	0.078 0,095 0,113
Azbest falisty			311 366 422	0,087 0,100 0,119
Balsam - wełna Tektura falista Celotex Płytka korkowa Korek ekspandowany Korek (podkład)	1,28	32 160 45 -119 151	305 305 303 293 303	0,040 0,064 0,048 0,043 0,036 0,043	1,6-4,3
Ziemia okrzemkowa (rozdrobniona)		160	366 477 589	0,050 0,066 0,083
Ziemia okrzemkowa (rozdrobniona)		224	366 477 589	0,057 0,068 0,080
Ziemia okrzemkowa (rozdrobniona)		288	366 477 589	0,069 0,078 0.085
Filc włóknisty		131	266 311 366	0,0410 0.0466 0,0537

1	2	3	4	5	6
Filc włóknisty		183	266	0,0367
						311	0,0440
						366	0,0518
			Filc włóknisty		205	266	0,0403
						311	0,0454
						366	0,0511
Płyta pilśniowa		237	294	0,049
Wełna szklana		24	266	0,0376
						311	0,0542
						366	0,0753
			Wełna szklana		64	266	0,0310
						311	0,0414
						366	0,0549
			Wełna szklana		96	266	0,0282
						311	0,0377
						366	0,0499
Kopak			303	0,035
Tlenek magnezowy, 85%		270	311	0,068
						366 422	0,071 0,074
						477	0,080
			Wełna żużlowa		64	266	0,0260
						311	0,0388
						366	0,0549
			Wełna żużlowa		128	266	0,0296
						311	0,0345
						366	0,0518
			Wełna żużlowa		192	266	0,0317
						311	0,0391
						366	0,0486
Inne substancje
Silikażel		136	393	0,023
Glina	0,88	1458	293	1,28	10,0
Antracyt	1,26	1200-1500	293	0,26	1,4-1,7
Węgiel rozdrobniony	1,30	737	303	0,116	1,2
Bawełna	1,30	80	293	0,059	5,7
Ziemia gruboziarnista	1,84	2054	293	0,52	1,4
Lód	1,93	913	273	2,22	12,6
Guma twarda (ebonit)		2000	273	0,151
Trociny			297	0,059
Jedwab	1,38	58	293	0,036	4,5

 

ANIZOTROPIA [gr.], cecha ośrodka (ciała), polegająca na zależności niektórych jego właściwości (mech., elektr., opt.) od kierunku, w którym tę właściwość się bada; występuje gł. w kryształach i dotyczy m.in. przewodnictwa elektr. i cieplnego, łupliwości, właściwości optycznych

---