2010-12-27
1
Mineralne materiały
Mineralne materiały
budowlane jako kompozyty
budowlane jako kompozyty
i ciała porowate
i ciała porowate
Materiał kompozytowy
Materiał kompozytowy, to niejednorodny materiał wieloskładnikowy,
w którym:
- wyst
ę
puj
ą
dwa lub wi
ę
cej komponentów (składników),
- składniki charakteryzuj
ą
si
ę
ró
Ŝ
nymi i znanymi wła
ś
ciwo
ś
ciami (W
si
),
- znane s
ą
wzgl
ę
dne obj
ę
to
ś
ciowe udziały poszczególnych składników (V
si
)
w całym materiale,
- istnieje widoczna granica mi
ę
dzy poszczególnymi składnikami,
Bardziej szczegółowe informacje w ramach przedmiotu Chemia
2010-12-27
2
Materiał kompozytowy
W przypadku wi
ę
kszo
ś
ci materiałów budowlanych mo
Ŝ
na
je traktowa
ć
jako materiały kompozytowe, w których
jeden ze składników charakteryzuje si
ę
ci
ą
gło
ś
ci
ą
(matryca),
inne stanowi
ą
jej wypełnienie (inkluzja).
W zale
Ŝ
no
ś
ci od kształtu inkluzji mo
Ŝ
na rozró
Ŝ
ni
ć
kompozyty
ziarniste lub włókniste oraz zawieraj
ą
ce obydwa rodzaje
inkluzji.
matryca
(szare tło)
inkluzja ziarnista
(ziarna – kolor)
Bardziej szczegółowe informacje
w ramach przedmiotu Chemia
Materiały kompozytowe - przykłady
beton cementowy
matryca – stwardniały zaczyn cementowy
inkluzja – ziarna kruszywa
2010-12-27
3
Materiały kompozytowe - przykłady
warianty kompozytów włóknistych z matryc
ą
polimerow
ą
(mineraln
ą
)
matryca – polimer (matryca mineralna)
inkluzja – włókna ró
Ŝ
nego rodzaju, uporz
ą
dkowane lub nie
Materiał kompozytowy
Wła
ś
ciwo
ś
ci materiałów kompozytowych mo
Ŝ
na
szacowa
ć
jako
ś
redni
ą
wa
Ŝ
on
ą
wła
ś
ciwo
ś
ci składników W
si
Wagami s
ą
ich wzgl
ę
dne obj
ę
to
ś
ciowe udziały
w materiale V
si
W
k
= W
s1
V
s1
+ … + W
sn
V
sn
=
Σ
W
si
V
si
2010-12-27
4
Rodzaje porów w materiale
szkielet (matryca)
pory (inkluzja)
zamkni
ę
te
otwarte
zło
Ŝ
one
(najcz
ęś
ciej)
ukierunkowane
Zło
Ŝ
ona struktura porów w materiale
Klasyfikacja porów według stopnia ich dro
Ŝ
no
ś
ci:
1- zamkni
ę
te, 2- przelotowe, 3- pseudo
ś
lepe, 4-
ś
lepe, 5 - „korek” cieczy
lub gazu, 6 - materiał szkieletu
6
2
1
4
4
4
1
3
5
4
Ź
ródło: Kledy
ń
ski Z.: Badania wodoszczelno
ś
ci betonu w
ś
wietle teorii nasycania ciał kapilarno-porowatych,
Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, z. 12, Warszawa 1992.
2010-12-27
5
Materiał porowaty - przykład
szkło piankowe
matryca – szkło
inkluzja – pory
Ź
ródło: Development of a technique to prepare porous materials from glasses, Journal of the European
Ceramic Society 26 (2006) 761–765
faza stała
(szkielet)
faza gazowa
(powietrze,
para wodna)
faza ciekła
(woda)
Materiał porowaty o dominuj
ą
cej porowato
ś
ci otwartej
2010-12-27
6
Klasyfikacja porów według ich rozmiarów
(wg IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry)
W porowatych materiałach budowlanych wyst
ę
puj
ą
zazwyczaj pory
o wszystkich rozmiarach.
Wilgo
ć
zawarta w materiale porowatym znajduje si
ę
na jego
wewn
ę
trznej powierzchni oraz we wn
ę
trzu zawartych w nim porów.
mezopory
r [nm]
2
50
mikropory
makropory
decyduj
ą
ca rola
w przenoszeniu
wilgoci do
mezoporów
i makroporów.
transport wilgoci
i adsorpcja na ich
powierzchni
podstawowy no
ś
nik
wła
ś
ciwo
ś
ci
sorpcyjnych
materiału
Uproszczony model materiału porowatego
Szkielet (V
s
)
(jednorodny lub niejednorodny)
Pory otwarte (V
po
)
(tworz
ą
ci
ą
gła sie
ć
dost
ę
pn
ą
dla mediów zewn
ę
trznych)
Pory zamkni
ę
te (V
pz
)
(niedost
ę
pne dla mediów
zewn
ę
trznych)
V
s
+ V
p
= 1
V
po
+ V
pz
= V
p
2010-12-27
7
ρ
= m/V
bp
[g/cm
3
]
ρ
o
= m/V
zp
[g/cm
3
]
G
ę
sto
ść
(wła
ś
ciwa) i g
ę
sto
ść
pozorna (obj
ę
to
ś
ciowa)
G
ę
sto
ść
ρ
masa jednostki obj
ę
to
ś
ci substancji szkieletu (bez porów)
G
ę
sto
ść
pozorna
ρ
o
masa jednostki obj
ę
to
ś
ci materiału (z porami)
dla danego materiału
ρ ≥
ρ
o
Szczelno
ść
i porowato
ść
całkowita
Szczelno
ść
V
s
lub S
wzgl
ę
dny obj
ę
to
ś
ciowy udział szkieletu w obj
ę
to
ś
ci materiału
Porowato
ść
całkowita V
p
lub p
c
wzgl
ę
dny obj
ę
to
ś
ciowy udział wszystkich porów w obj
ę
to
ś
ci materiału
S
=
V
s
= V
bp
/V
zp
=
ρ
o
/
ρ
p
c
=
V
p
= 1 - S = 1 -
ρ
o
/
ρ
2010-12-27
8
Porowato
ść
materiału a jego cechy wytrzymało
ś
ciowe
f
c
= f
c0
(1 – p)
6
E
c
= E
c0
(1 – p)
3
f
c
- wytrzymało
ść
na
ś
ciskanie materiału porowatego [MPa],
f
c0
- wytrzymało
ść
hipotetycznego materiału bezporowatego
(dla materiałów mineralnych
≈
850 MPa)
p - porowato
ść
całkowita [-]
Wytrzymało
ść
na
ś
ciskanie
Moduł spr
ęŜ
ysto
ś
ci
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
porowato
ść
[-]
0
150
300
450
600
750
900
w
y
tr
z
y
m
a
ło
ś
ć
n
a
ś
c
is
k
a
n
ie
[M
P
a
]
Nasi
ą
kliwo
ść
Nasi
ą
kliwo
ść
wod
ą
maksymalna ilo
ść
wody (wyra
Ŝ
ona masowo lub obj
ę
to
ś
ciowo), jak
ą
w normalnych warunkach mo
Ŝ
e wchłon
ąć
materiał porowaty
Nasi
ą
kliwo
ść
masowa
Nasi
ą
kliwo
ść
obj
ę
to
ś
ciowa
Poniewa
Ŝ
woda wypełnia tylko pory otwarte, znaj
ą
c
nasi
ą
kliwo
ść
obj
ę
to
ś
ciow
ą
mo
Ŝ
na oszacowa
ć
zawarto
ść
porów otwartych:
p
o
≈
n
o (w rzeczywisto
ś
ci p
o
> n
o
)