KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

123MAI – cvičení I.

Projekt č. 16: Vnitřní soutěž ČVUT v Praze v rámci IP 2020-Podpora a inovace výuky praktických cvičení

chemie a materiálového inženýrství.

Získání zápočtu:

• absolvování laboratorních cvičení

• absolvování testu

• vypracování a odevzdání protokolů z laboratorních cvičení

Ukončení předmětu - zkouška:

• písemná část

• ústní pohovor

Program cvičení a podklady ke stažení:

k123.fsv.cvut.cz/materialove-inzenyrstvi/

Bezpečnost práce, základní pravidla práce v laboratoři, laboratorní protokol.

Základní fyzikální vlastnosti porézních stavebních materiálů:

1. Experimentální určení:

objemové hmotnosti,

sypné hmotnosti,

hustoty matrice.

2. Výpočet celkové otevřené pórovitosti.

Základní pravidla při práci v laboratoři a bezpečnostní

pokyny (1/2)

Studenti chodí do laboratoře teoreticky připraveni na daný úkol. S sebou mají návod na laboratorní práci, papír, psací potřeby a kalkulačku.

Do laboratoře studenti nenosí objemná zavazadla, jídlo, ani pití.

Doporučuje se pracovní oděv, při některých úkolech hrozí znečištění. Není vhodné mít na sobě krátké kalhoty, otevřené boty, nebo pantofle.

Do laboratoří nemají přístup nepovolané osoby.

Základní pravidla při práci v laboratoři a bezpečnostní

pokyny (2/2)

Studenti nesmí bez dovolení používat laboratorní zařízení a vybavení.

Všechen použitý materiál a pomůcky se vracejí na původní místo. Pracovní místo je po provedení úkolu nutné uklidit, vypnout elektrické spotřebiče a přívod vody.

Součástí laboratorní práce je vypracování protokolu v požadované formě.

Laboratorní protokol:

Za skupinu jeden vytisknutý formulář pro dané cvičení.

Naměřené hodnoty a výpočty lze psát na druhou stranu

protokolu.

Vždy je důležité uvádět podmínky měření, např. vysušený či

mokrý vzorek, teplota vzduchu, relativní vlhkost atd.

Titulní strana:

datum, název experimentu, jména studentů dané skupiny, číslo kruhu,

krátký popis testovaných materiálů,

krátký popis experimentální metody,

seznam použitých pomůcek a přístrojů,

naměřené hodnoty a použité konstanty,

výpočty a výsledné hodnoty (průměr nejméně ze tří měření),

vyhodnocení a závěr.

Základní fyzikální vlastnosti

• Vlastnosti, k jejichž určení postačí stanovení hmotnosti a rozměrů či objemu zkoušeného vzorku materiálu.

• Vlastnosti, které do jisté míry materiál charakterizují, a na nichž ostatní vlastnosti závisejí.

objemová hmotnost rv (kg.m-3)

hustota (dříve specifická hmotnost), hustota matrice r (kg.m-3)

hutnost (-, %)

pórovitost (-, %)

zrnitost

mezerovitost

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

Objemová hmotnost a hustota

Definovány jako poměr elementární hmotnosti ku elementárnímu objemu

(u hustoty se jedná o objem bez mezer a dutin, u objemové hmotnosti

včetně pórů a mezer):

(kg/m3)

pro homogenní materiál:

kde rv je objemová hmotnost materiálu.

dV

dmr

vV

mrr

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

Hustota X objemová hmotnost

1. Neporézní materiál (kovy, sklo, plasty atd.) – číselná hodnota hustoty a

objemové hmotnosti shodná.

2. Porézní materiál (většina stavebních materiálů) – hustota matrice

materiálu (pevné složky) vyšší než objemová hmotnost materiálu.

Pozn. Množství a distribuce pórů neovlivňuje jen objemovou hmotnost, ale i

další vlastnosti – nasákavost, odolnost vůči krystalizaci solí, pevnost atd.

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

1. Stanovení objemové hmotnosti kusových vzorků pravidelného

tvaru:

Experimentální metoda – gravimetrická

Princip metody:

1. Naměření rozměrů daného vzorku (průměr ze 3 měření).

2. Určení hmotnosti vzorku.

3. Výpočet objemové hmotnosti – pozor na jednotky!

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

U pórovitého kameniva můžeme rozlišit celkem čtyři různé veličiny:

• sypná hmotnost ve stavu volně sypaném (např. 400 kg/m3)

• sypná hmotnost ve stavu setřeseném (např. 600 kg/m3)

• objemová hmotnost zrn (např. 850 kg/m3) – nezapočítá se objem mezer mezi zrny

• hustota zrna (např. 2550 kg/m3, dle typu kameniva).

! Objemová hmotnost se bude také měnit s vlhkostí materiálu, neboť póry

se budou plnit vodou a celková hmotnost, tedy i objemová hmotnost,

bude narůstat.

! Objemová vlhkost je veličina důležitá pro charakteristiku stavebních

materiálů nejenom z hlediska tíhových, ale i v souvislosti s řadou tepelně-

technických veličin (tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita),

mechanických veličin a akustických veličin.

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

2. Stanovení sypné hmotnosti drobného kameniva:

Experimentální metoda – sypná hmotnost ve stavu volně sypaném

Princip metody:

1. Naměření objemu vzorku (průměr ze 3 odečtů).

2. Určení hmotnosti vzorku.

3. Výpočet sypné hmotnosti – pozor na jednotky!

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

PYKNOMETRIE – stanovení hustoty materiálu

Všechna vážení se provádějí se zátkou.

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

Pórovitost

• pórovitost materiálu je definována jako poměr objemu pórů (dutin) k

celkovému objemu materiálu.

[-], [%]

Otevřená pórovitost část celkové pórovitosti zahrnující tzv.

otevřené póry, tj. póry spojené s povrchem látky či materiálu,

- otevřené póry mohou vznikat např. únikem plynů během výroby

(lehčené materiály), postupným odpařováním (vysušováním) vody z

materiálů (beton, omítky, keramika, cementové kompozity), záměrným

provzdušněním (lehké betony) a napěněním materiálů (perlit).

V

Vo

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

Uzavřená pórovitost část celkové pórovitosti zahrnující tzv. uzavřené

póry (nespojené s povrchem – neúčastní se transportních procesů),

- uzavřené póry vznikají např. slinutím keramického střepu a neumožňují

přijímat do objemu materiálu vzdušnou vlhkost,

- póry nejsou jednoduché kapiláry, ale jejich tvar je složitý a proměnlivý -

proto se pórovitost materiálu popisuje pomocí distribuce pórů, což je

funkce stanovující velikost a rozdělení pórů,

- pro její určení se používají různé metody, např. porozimetrie rtuťová či

sorpce plynů, elektronová či optická mikroskopie, nasávání či

vytěsňování kapalin, X-ray CT, atd.,

- pórovitost popisuje také měrný povrch, který se může stanovit

provzdušňovací metodou, nebo adsorpcí dusíku metodou BET.

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

Celková otevřená pórovitost

- určuje se pro suchý stav materiálu,

- lze vypočítat z hodnot objemové hmotnosti a hustoty materiálu:

kde rv je objemová hmotnost látky (kg.m-3, g.cm-3), rmat je hustota matrice

(kg.m-3, g.cm-3).

Pozn. Čím vyšší pórovitost - tím lepší tepelně izolační vlastnosti materiálu.

Vyplnění pórů vodou tyto vlastnosti zhoršuje.

Pórovitosti vybraných stavebních materiálů:

betony – běžně několik %,

cihly – záleží na kvalitě výpalu – desítky %,

horniny – pískovec, opuka, … 20 – 50%,

izolační materiály – minerální vlna, pórobeton až 95% KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE 100 * (1 )v

c

mat

r

r

5. Výpočet celkové pórovitosti měřených materiálů:

1. Z naměřených hodnot objemové hmotnosti a hustoty vypočítejte celkovou

otevřenou pórovitost.

2. Hodnoty hustot do výpočtu:

a) drobné kamenivo - stanoveno

b) cihla - 2 683 kg.m-3

c) pórobeton - 2 359 kg.m-3

d) polystyren - 1 240 kg.m-3

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE

Mezerovitost (M)

• vlastnost zjišťovaná u sypkých materiálů

• vyjadřuje poměr objemu mezer mezi zrny k celkovému objemu

určitého množství sypké látky

• veličina závislá na sypné hmotnosti

Vh – objem vlastního materiálu bez všech dutin, pórů a mezer

Vp – objem pórů

rv – objemová hmotnost

rs – sypná hmotnost

KA

TE

DR

A M

AT

ER

IÁL

OV

ÉH

O I

NŽ

EN

ÝR

ST

VÍ A

CH

EM

IE