Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Karel Kolář, Pavel Reiterman

Stavební materiály
pro SPŠ stavební

TIRÁŽ TIŠTĚNÉ PUBLIKACE:

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
obchod@grada.cz, www.grada.cz
tel.: +420 234 264 401, fax: +420 134 264 400
jako svou 4968. publikaci

Odborná korektura Ing. Bc. Anna Havlíková, Ing. Jana Chajdrnová
Jazyková korektura Pavlína Zelníčková
Grafická úprava a sazba Eva Hradiláková
Foto na obálce redakce
Fotografie a kresby v knize: archiv autora Pavla Reitermana, Ing. Pavel Kopta 3.7, BACHL, s.r.o. 4.60b, Bramac střešní systémy spol. s. r. o. 4.39, BEST, a.s. 4.41, CETRIS, a.s. 2.15, 3.18, CEMBRIT, a.s. 4.46, DEKTRADE a.s. 2.13, 3.11, 4.54, 4.56, 4.60a, HeidelbergCement 3.1, 3.5, 4.22, 4.26, 4.31, 4.33, HELUZ cihlářský průmysl, v.o.s. 2.14, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4a, KERAMO STEINZOUG, s.r.o. 4.7, TONDACH Česká republika, s.r.o. 4.5, RAKO, a.s. 4.6, RECIFA, a.s. 4.9, 4.10, SIKO KOUPELNY, a.s. 4.8, Wienerberger, a.s. 4.2, 4.4b, Xella, a.s. 4.43, 4.44
První vydání, Praha 2012
Vytiskla Tiskárna PROTISK, s.r.o., České Budějovice

© Grada Publishing, a. s., 2012
Cover Design © Eva Hradiláková, 2012

Tato publikace vznikla za částečné podpory projektu MŠMT číslo MSM 6840770031.

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-247-4070-6

ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE:

ISBN 978-80-247-8322-2 ve formátu PDF
ISBN 978-80-247-8323-9 ve formátu EPUB

1. Úvod

1.1 Význam stavebních materiálů

1.2 Rozdělení stavebních materiálů

1.3 Dnešní stav a perspektivy rozvoje výroby stavebních materiálů

1.1 Význam stavebních materiálů

Stavební materiály představují významnou část látkových forem hmoty, které ve stavebnictví zahrnujeme pod tradiční pojem stavební hmoty. Stavebními hmotami máme na mysli všechno, co je přímou součástí stavebních konstrukcí nebo s čím se setkáváme při jejich budování na staveništi.

V současném stavebnictví se zpracovávají jak tradiční hmoty používané na stavbách již po mnoho generací, tak hmoty zcela nové, které byly získány na základě současných poznatků vědy a techniky. Mezi stavební hmoty zařazujeme také celou řadu pomocných látek usnadňujících provádění stavebních technologií, ale i širokou paletu tzv. kusových staviv, jež představují jednoduché výrobky definované svým tvarem, rozměry a látkovým složením.

Do sortimentu stavebních hmot nepatří složitější stavební výrobky, které mají charakter pohyblivé nebo mnohoprvkové konstrukce či speciální pomocné látky. Zjednodušeně tedy stavebními materiály označujeme celou řadu stavebních látek a staviv používaných ve stavebnictví.

Řada stavebních materiálů je v současné době dostupná v mnoha látkových modifikacích nebo výrobních variantách. Rozlišování pojmů stavební hmota – stavební materiál je nutno brát pouze jako prostředek k zatřídění látek používaných ve stavebnictví s přihlédnutím k jejich historickému vývoji, současnému stavu a perspektivám jejich udržitelného rozvoje.

Historicky vzato, stavební materiály používané do 19. století představovaly převážně přírodní materiály na bázi výrobků z kamene a dřeva, později i uměle vyrobené cihlářské výrobky spojované mechanicky či maltami.

Na vývoji stavebních materiálů se významně projevil pokrok vědních a technických disciplín. Během 19. století tak došlo k jejich rozšíření o litinu a ocel; rozvoj používání betonu, železobetonu a později předpjatého betonu se datuje od druhé poloviny 19. století a mohutní v průběhu celého 20. století. Začátek 21. století se vyznačuje dalším rozvojem tradičních forem stavebních materiálů a technologií, dochází ale k významnému posílení tzv. kompozitních materiálů (dřevotříska, sklolaminát, beton, sádrokarton atd.), řízených předem stanovenými materiálovými vlastnostmi, uplatněním zcela nových technologických postupů jejich výroby a použitím při současném důrazu na jejich ekologickou zátěž životního prostředí, ekonomickou dostupnost a vyváženost z pohledu tzv. udržitelného rozvoje.

Každý stavební materiál se vyznačuje svými základními vlastnostmi, které jsou odrazem povahy a uspořádání jejich vnitřní struktury. Stavební materiály jsou posuzovány z mnoha hledisek, jež odpovídají jejich budoucímu uplatnění. Základní vlastnosti (měrná a objemová hmotnost, pórovitost, hutnost, vlhkost, zrnitost apod.) jsou pro nás dobrou výchozí pozicí a mohou nám o sledovaném materiálu mnoho napovědět. Proces navrhování a realizace stavebních konstrukcí je ale natolik komplexní, že je nutné sledovat celou řadu dalších technických parametrů. Mezi nejvýznamnější technické vlastnosti patří např. vlastnosti mechanické (pevnost, modul pružnosti apod.), chemické, biologické, hygienické, tepelné, vlhkostní, izolační a celá řada dalších.

Tyto vlastnosti bývají často i protichůdné: například materiály s vysokými pevnostními parametry (materiály hutné) jsou většinou dobře tepelně vodivé, tj. nedají se používat jako materiály tepelněizolační a naopak (kovy – výborné vodiče, polystyren – izolant). Z tohoto pohledu mohou jednotlivé typy stavebních materiálů zabezpečovat jen jednu funkci kladenou na stavební konstrukce (statická únosnost, tepelněizolační funkce apod.).

Celá řada stavebních konstrukcí musí pak být navrhována jako systém složený z potřebných typů stavebních materiálů a vytváří tzv. sendvičové a vrstvené prvky (u sendvičových jednotlivé materiály spolupůsobí). V těchto sendvičových a vrstvených prvcích musí mít každý materiál svou určitou polohu, aby mohl plně vykonávat svoji funkci.

Výběr a vzájemné zastoupení materiálu je tak podmíněno kompletními znalostmi o jejich chování za různých podmínek a jejich spolehlivou kvalitou. Materiálové inženýrství proto vyžaduje hluboké znalosti přírodních zákonitostí. Vychází z poznatků různých vědních oborů počínaje matematikou, fyzikou, chemií, biologií, klimatologií a mnoha dalšími konče.

Součástí optimálního výběru stavebních materiálů musí být i komplexní úvaha o jejich použití a jejich užitných vlastnostech, nákladech spojených s jejich použitím v dané konstrukci včetně jejich trvanlivostních parametrů v daných podmínkách a dlouhodobých ekologických dopadech. Finální proces výroby stavebních konstrukcí se tak stává poměrně složitým souborem aplikací fyzikálních zákonů a přírodních jevů.

Vybraný typ materiálu musí splňovat požadovanou technickou funkci, která je závislá na původu použitého materiálu, technologii jeho výroby a na vzájemném ovlivňování okolním prostředím během životního cyklu každého provedeného stavebního díla.

Při popisu a aplikaci jednotlivých stavebních materiálů je proto potřebné si vždy uvědomovat základní informace, jako jsou surovinové zdroje, technologie výroby, souhrn materiálových parametrů získaného výrobku, aplikační možnosti a dlouhodobá odolnost vůči působení okolního prostředí. Stavební materiály tvoří nesmírně rozsáhlý soubor látek s rozličnými vlastnostmi, na jejichž základě jsou pak vybírány pro daný účel.

Obr. 1.1 Schematické rozdělení stavebních materiálů podle jejich vnějších fyzikálních projevů

Při hodnocení vlastností materiálů vycházíme nejen ze znalostí jejich materiálové struktury, ale i z praktických zkušeností s jejich využíváním a z výsledků standardních zkoušek, které jsou používány pro posouzení předepsaných (závazných) vlastností se zajištěnou spolehlivostí. Detailní postupy pro zkoušení daných materiálových vlastností jsou dnes sjednoceny v podobě národních či mezinárodně platných zkušebních norem. Výsledky těchto dohodnutých normových zkoušek materiálových vlastností pak tvoří i základ pro výpočty stavebních konstrukcí, případně se využívají ke zpracování a zobecnění pro aplikaci v materiálovém inženýrství, k modelování či simulaci určitých jevů a stavů pro navrhování stavebních konstrukcí. Proto je součástí této učebnice i zkušebnictví.

1.2 Rozdělení stavebních materiálů

Sortiment a nabídka stavebních materiálů jsou velmi široké, a to jak z hlediska množství druhů, tak i jejich uplatnění ve stavebnictví. Pro zlepšení přehledu a jednoduchou orientaci se často stavební materiály rozdělují podle určitých charakteristik a vlastností, například podle původu, použití, funkce, materiálové podstaty či technologie výroby.

Podle původu můžeme rozdělit stavební materiály na:

přírodní

– anorganické (kámen, hlína, jíl),

– organické (dřevo, rákos, bambus, ovčí vlna).

umělé, vyrobené z různých surovin

– anorganických (vápno, cement, sádra, keramické výrobky, sklo, kovy),

– organických (plasty, bitumeny, aglomerované dřevo, nátěrové materiály, izolační materiály),

– kombinovaných (sádrokarton, polystyrenbeton, sklolaminát).

Podle použití (konstrukční funkce a účelu) se stavební materiály rozdělují na:

konstrukční – vytvářející nosnou konstrukci stavby (vodorovnou i svislou), které se vyznačují především svými mechanickými vlastnostmi (pevnost v tahu, tlaku, odolností vůči statickým a dynamickým účinkům apod.);

výplňové – tvoří výplň nosných konstrukcí přinášející zlepšení i některých izolačních vlastností (tepelných a zvukových). Vyznačují se na rozdíl od materiálů konstrukčních nižší objemovou hmotností, zvýšenou pórovitostí a snížením mechanických pevnostně-pružnostních vlastností. Zpravidla mají tyto materiály mnohem výhodnější některé vlastnosti spojené s vlastním užíváním a účelem dané stavby;

izolační – zajišťují ochranu staveb proti působení nežádoucích (agresivních) vlivů okolního prostředí. Do této významné skupiny spadají tepelněizolační materiály zajišťující potřebnou tepelnou pohodu, dále hydroizolační materiály chránící před nežádoucí vlhkostí, zvukové izolace chránící před škodlivým hlukem z okolí, ochranné materiály omezující průnik radonu, chemických látek apod.;

dekorační – vytvářejí nejen estetickou pohodu stavebních konstrukcí, ale i zvýšenou odolnost proti působení agresivního prostředí;

ostatní pomocné materiály – používané po dobu výstavby, případně i zabudované do stavebního díla.

Významnou skupinu moderních stavebních materiálů tvoří kompozity. Jsou to složené materiály skládající se minimálně ze dvou jiných složek, kde každá plní svou danou funkci (beton, omítky, OSB desky, sklolaminát):

pojiva – mají pojivovou funkci, v systému kompozitu slouží jako „lepidlo“ ostatních součástí (cement, sádra, vápno, epoxid apod.) a umožňují tak jejich vzájemné spolupůsobení;

plniva – slouží jako výplň (písek, štěrk, drcený kámen, keramzit), bývají zpravidla levnější;

výztužné materiály – slouží k přenášení převážně tahových napětí (kovová vlákna, skleněná vlákna, keramická vlákna, dřevo). Kromě zvýšení pevnosti v tahu lze jejich použitím potlačit řadu nepříjemných vlastností, např. smrštění (vláknobeton);

pomocné materiály – upravují některé vlastnosti (přísady, příměsi apod.). Zpravidla usnadňují výrobu nebo chrání před účinky agresivního prostředí a tím prodlužují životnost.

Často používaným hlediskem pro rozdělení stavebních materiálů je dělení podle jejich materiálové podstaty a technologie jejich výroby:

výrobky z kamene,

kamenivo,

dřevo,

keramické výrobky,

sklo,

vápenické výrobky,

cementářské výrobky,

autoklávované výrobky,

kovové výrobky,

živičné materiály,

plasty (materiály na bázi organických makromolekulárních látek),

výrobky na bázi dřeva a celulózy,

ostatní materiály.

Z hlediska praktického použití se často stavební materiály dělí podle vybraných charakteristických vlastností na tvárné (hlína, asfalt), pružné (guma, ocel), křehké (sklo, beton), tvrdé (kámen, některé kovy a některé jejich slitiny, sklo), stálé nebo nestálé proti chemickým vlivům, tepelněizolační (dřevo, pěnové sklo a další materiály s napěněnou strukturou), žáruvzdorné, mrazuvzdorné, zvukově izolační apod., bez ohledu na jejich chemickou podstatu.

Přehled nejpoužívanějších stavebních materiálů a jejich základních vlastností, které je předurčují pro jejich stavební aplikace, je uveden v tab. 2.2. V případech materiálů, u nichž jsou tyto vlastnosti závislé na finálním provedení, je místo průměrné hodnoty uvedeno rozmezí.

Rozdělení stavebních materiálů v této učebnici vychází z historie jejich výroby a použití, z jejich materiálové podstaty a technologie výroby.

1.3 Dnešní stav a perspektivy rozvoje výroby stavebních materiálů

Výroba stavebních materiálů zahrnuje celou řadu výrobních fází, které jsou společné zvláště v  počáteční fázi, tj. těžba a úprava surovin, dále vlastní technologie jejich výroby závislé na druhu materiálu a v závěrečné fázi způsoby finalizace konečné podoby stavebního materiálu.

Proto vlastní výroba stavebních materiálů zasahuje i do dalších průmyslových oborů, jako jsou strojírenství, hutnictví, chemické technologie (anorganické i organické), zpracování průmyslových odpadů (chemických, energetických apod.). Jedná se zejména o využívání škváry, popílků, vysokopecní strusky, dřevařských odpadů či speciálních odpadů z chemických výrob.

Na naší malé planetě je k dispozici jen omezené množství surovin, proto je v současné době kladen velký důraz na možnosti využití tzv. druhotných a odpadních surovin. Postupným výzkumem se tak vyvíjejí metody, jak odpad efektivně využít a v ideálním případě i zlepšit stávající vlastnosti. Pro stavebnictví jsou asi nejvýznamnějším dodavatelem takovýchto materiálů hutnictví a energetika (popílky, vysokopecní struska, energosádrovec apod.).

V současné materiálové základně ve stavebnictví převládají tzv. stavební materiály silikátové, u nichž jsou převažující složkou látky na bázi křemičitanů (silikátů). Do této skupiny patří například cement, cihlářské výrobky, vápno, beton a další.

Silikátové materiály jsou relativně snadno dostupné z hlediska surovinových zdrojů naší planety, mají výhodné vlastnosti pro stavební účely, vyznačují se dobrou zpracovatelností, trvanlivostí, ekonomickou výhodností a perspektivou pro udržitelný rozvoj života na naší planetě. Je u nich dobrý předpoklad dalšího rozvoje, a to zvlášť v oblasti kompozitních (složených) materiálů s novými řízenými vlastnostmi a s vysokými mechanickými parametry. Vedle rozvoje silikátové materiálové základny lze však očekávat i významné uplatnění a rozvoj základny metalurgické a chemické. Přesné údaje o současné výrobě a spotřebě stavebních materiálů jak u nás, tak celosvětově jsou obtížně zjistitelné, pro informaci jsou v tab. 1.1 uvedeny přehledy výroby nejdůležitějších silikátových výrobků v naší republice v roce 2005.

Tab. 1.1 Přehled spotřeby vybraných stavebních hmot a výrobků v ČR (2005)

Druh stavebního materiálu

Jednotka

Množství

Poznámka

kamenivo drcené

Mt

30,32

štěrkopísky těžené

Mt

15,64

vápenec

Mt

7,02

využití v jiných průmyslových odvětvích

písky křemité a křemičité

Mt

2,71

využití v jiných průmyslových odvětvích

kaolín plavený

Mt

1,02

využití v jiných průmyslových odvětvích

beton

Mt

13,01

odhad – přesný údaj není k dispozici

cement

Mt

3,98

betonová krytina

Mt

1,61

suché maltové směsi

Mt

1,53

vápno pálené

Mt

1,05

využití v jiných průmyslových odvětvích

krytina pálená

Mt

0,24

vápenný hydrát

Mt

0,16

sádra

Mt

0,13

netvarované žáromateriály

Mt

0,11

šamot

Mt

0,07

sádrokartonové desky

Mm2

36,41

vláknocementové výrobky

Mm2

22,78

keramické dlaždice glazované

Mm2

23,64

keramické dlaždice neglazované

Mm2

8,18

stavební dílce

Mm3

0,71

cihly pálené

Mm3

0,74

Převládající silikátová surovinová základna pro výrobu stavebních materiálů je dána složením naší planety Země, jak je dokumentováno v následujícím přehledu v tab. 1.2.

Tab. 1.2 Poměrné zastoupení prvků v zemské kůře (litosféře)

Zastoupení prvků

O2

Si

Al

Fe

Ca

Na

K

Mg

Σ

[%]

47

28

8

5

4

2,5

2,5

2

99

Pozn.: Prvky Ti, H2, C, Mn, P, S představují 0,8 %, na ostatní prvky tak zbývá 0,2 %.

Tuhé a chladnější vrstvy Země zasahují do hloubky asi 15 km, hlubší vrstvy se vyznačují vyššími teplotami, rostoucí plasticitou a odlišným chemickým a minerálním složením. Důsledkem velkých tlaků v těchto vrstvách dochází i k vytváření jiných mineralogických fází. Směrem k zemskému jádru roste obsah kovů, nejprve Al, Mg ve formě křemičitanů. Právě díky dominantnímu zastoupení lehčího hliníku Al a křemíku Si je zemská kůra často označována jako „Sial“. V nižších stupních pak můžeme narazit na Fe, Ni ve formě oxidů (O2-) a sulfidů (S2-). Zemské jádro je složeno pravděpodobně z metalického Fe a Ni v kapalné formě; stejně jako u zemské kůry i zde se často používá zkrácený název ze vzorců hlavních prvků, tedy „Nife“.

Tab. 1.3 Vzdušný obal (atmosféra)

Zastoupení prvků

O2

N2

Vzácné plyny

Vodní pára

CO2

[%]

~21

78

~1

~1

~0,03

Tab. 1.4 Vodní obal (hydrosféra)

Zastoupení prvků

O2

H2

Σ

[%]

88

11

99

Pozn.: Zbytek (1 %) připadá na rozpuštěné minerální soli.

2. Struktura avlastnosti stavebních materiálů

2.1 Základní vlastnosti stavebních materiálů

2.2 Vzájemné vztahy mezi vlastnostmi stavebních materiálů

2.3 Přehled hodnot nejdůležitějších vlastností stavebních materiálů

Stavební materiály jsou převážně pevné látky, které se skládají zčástic různé velikosti, jež mají určitou energii aklidovou hmotnost. Klátkovým formám vnejširším slova smyslu patří:

elementární částice (např. elektrony, protony, neutrony),

složitější mikročástice (atomy, ionty, molekuly),

makroskopická tělesa vrůzných skupenstvích (tuhé látky, kapaliny, plyny), vmimozemském pohledu pak planety, hvězdy, hvězdné soustavy (galaxie) asoustavy těchto hvězdných soustav (metagalaxie).

Částice vpevných látkách jsou více či méně pravidelně uspořádány azaujímají vůči sobě rovnovážné polohy. Způsobem uspořádání těchto částic je pak určena struktura látky. Obecně se látky dají rozdělit nalátky stejnorodé (homogenní) arůznorodé (heterogenní). Homogenní látky se dále dělí nachemicky čisté látky aroztoky. Jsou zastoupeny jednak chemickými prvky (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K), jednak chemickými sloučeninami (CaCO3, SiO2, NaCl, HCl, Ca3(PO4)2). Chemické prvky jsou chemická individua, nelze je dále dělit, mají charakteristické vlastnosti dané stavbou jejich atomu. Chemické sloučeniny se vyznačují konstantním poměrem prvků vnich zastoupených, mají definované základní vlastnosti (bod tání, bod varu), dají se chemicky dělit apřipravit; nejmenší jednotkou je molekula se svými charakteristickými vlastnostmi. Schematicky je obecné rozdělení látek znázorněno naobr. 2.1.

Podle struktury se látky dělí nalátky prosté alátky směsné (složené). Látky prosté se zhlediska míry uspořádání jejich základní strukturní jednotky dělí nalátky krystalické, amorfní (nevytvářejí krystalickou mřížku) akoloidní (skládají se zvelmi malých částic, např. želatina, klih apod.).

Význam krystalické struktury lze ukázat nauhlíku C, který se vyskytuje vpřírodě vněkolika modifikacích. Diametrálně jiné vlastnosti má diamant krystalizující vsoustavě kubické (krychlové) anaproti tomu například grafit vyskytující se vsoustavě šesterečné.

Obr. 2.1 Obecné rozdělení látek

Dále lze stavební materiály rozdělit podle způsobu uspořádání jejich struktury nalátky:

izotropní – mají vevšech směrech stejné vlastnosti;

anizotropní – mají vrůzných směrech různé vlastnosti. Zvláštním případem anizotropie je dřevo, které má vesměrech nasebe kolmých (povláknech akolmo naně) různé vlastnosti, zde mluvíme otzv. ortotropii.

Látky složené (směsné) sestávají ze dvou hlavních skupin, které představují pevné směsi alátky vyztužené (kompozitní), obsahující tzv. matrici (pojivo) avýztuž (zrnitou nebo vláknitou). Jako příklad pojiva můžeme uvést cement, jenž vespojení skamenivem (zrnitou výztuží) tvoří beton; vespojení sazbestem (vláknitou výztuží) pak cementoazbestové desky. Kompozity mohou mít charakter látek homogenních, heterogenních či koloidních (obr. 2.2).

Látky složené (směsné) homogenní se vyznačují proměnlivým chemickým složením, dají se fyzikálně připravit anarozdíl odčistých látek se vyznačují intervaly tání avaru. Skládají se ze dvou nebo tří fází vrůzných kombinacích, např. fáze tuhá – tuhá (sklo, slitiny), tuhá – kapalná (pravé roztoky), plynná – plynná (vzduch).

Látky složené (směsné) heterogenní mají proměnlivé chemické složení, dají se fyzikálně připravit aopět mají intervaly tání avaru. Jejich mikrostruktura je tvořena ze zrn (fází) apórů. Příkladem jsou kombinace fází tuhá – tuhá (žula, beton, keramika), tuhá – kapalná (čerstvý beton, lité směsi), kapalná – plynná (mlha, pěny), tuhá – plynná (pórobeton, vytvrzené napěněné plasty).

Látky složené (směsné) koloidní tvoří rozhraní mezi látkami homogenními aheterogenními. Jejich fáze jsou fragmentovány dočástic orozměrech 1–20 hm.

Jak plyne zpředchozích úvah, vlastnosti stavebních materiálů jsou stejně jako vlastnosti materiálů obecně odrazem jejich vnitřní struktury, fyzikální vlastnosti jsou však iodrazem vlivu technologie jejich výroby. Zdlouhodobého hlediska ovšem nelze opomenout ani účinky okolního prostředí, díky nimž se vlastnosti látek výrazně mění.

Obr. 2.2 Rozdělení látek podle struktury

Vzásadě se vlastnosti stavebních materiálů dají rozdělit navlastnosti fyzikální, chemické abiologické:

Vlastnosti fyzikální, zvláště pak jejich hlavní část, kterou označujeme zavlastnosti mechanické, představují většinu vlastností stavebních materiálů. Slouží jako jejich určující parametry pro uplatnění vestavebnictví, pro posuzování jejich kvality při výběru nejvhodnějšího typu materiálu, hotové stavební konstrukce adlouhodobé trvanlivosti.

Chemické vlastnosti závisejí především nachemickém amineralogickém složení jednotlivých stavebních materiálů, jejich vzájemném působení, vestavebních konstrukcích anavlivu okolního prostředí, které může významně ovlivňovat jejich dlouhodobou životnost.

Biologické vlastnosti tvoří nedílnou součást znalostí vlastností stavebních materiálů zpohledu jejich účinku naživé organismy. Jedná se především ootázku tzv. zdravotní nezávadnosti stavebních materiálů, kdy je snaha omezit negativní vliv některých materiálů načlověka (rozptýlený azbest, záření apod.). Negativní účinky naněkteré živé organismy však mohou být cíleně využity, například zdůvodu zabránění vzniku degradačních mechanismů vlivem biologické koroze různými typy mikroorganismů aživočichů (houby, plísně, mechy, hmyz apod.).

Podrobné informace ovlastnostech stavebních materiálů jsou předmětem vědních oborů, jako jsou fyzika, chemie, biologie, fyzikální chemie, chemická technologie, mineralogie, krystalografie apod. Protože zcela přesahují potřeby této učebnice ozákladních znalostech stavebních materiálů, budou uváděny jen vněkterých případech uvybraných nejpoužívanějších typů vestavebnictví.

2.1 Základní vlastnosti stavebních materiálů

Zahlavní fyzikální amechanické vlastnosti, snimiž stavební technici ainženýři pracují vjednotlivých oborech stavebnictví, lze považovat např. přesnost výrobních rozměrů, měrnou aobjemovou hmotnost, hutnost, pórovitost, mezerovitost, vlhkostní vlastnosti (vlhkost, navlhavost, vzlínavost), mrazuvzdornost, pevnostní parametry, odolnost vůči vysokým teplotám, tepelné aakustické vlastnosti acelou řadu dalších.

Ovzhledu stavebního díla rozhoduje zejména barva astruktura povrchu finálních materiálů vkonstrukci. Ukusových výrobků záleží napřesnosti výrobních rozměrů. Běžnými postupy se však finálního rozměru dosahuje surčitou výrobní tolerancí. Ujednotlivých výrobků je výrobními normami většinou stanovena nějaká povolená mez, což představuje maximální dovolenou odchylku odpředepsaných rozměrů. Skutečné rozměry se stanovují měřením auvádějí se vm amm.

Hmotnost představující setrvačnou tíhovou vlastnost stavebních materiálů, obvykle vztahujeme nahmotnost látky vevysušeném stavu (ulátek pórovitých). Stanovujeme ji vážením avyjadřujeme vkg nebo g, případně tunách.

2.1.1 Základní fyzikální vlastnosti

Kzákladním fyzikálním vlastnostem řadíme ty, kjejichž určení nám obvykle postačí stanovení jejich hmotnosti, resp. změny hmotnosti arozměrů výrobku či zkušebního vzorku pro účely zkušebnictví. Jedná se ovlastnosti, které daný materiál výrazně charakterizují ananichž závisí iřada dalších parametrů. Patří sem měrná aobjemová hmotnost, pórovitost, mezerovitost, vlhkostní vlastnosti, zrnitost adalší.

2.1.1.1 Měrná aobjemová hmotnost

Měrná hmotnost (hustota, specifická hmotnost) aobjemová hmotnost jsou definovány jako hmotnost m objemové jednotky látky. Vpřípadě měrné hmotnosti ρ, někdy nazývané též hustotou či specifickou hmotností, počítáme stzv. objemem vlastní látky (tedy bez dutin, pórů amezer) – objem Vh. Vpřípadě objemové hmotnosti ρv sobjemem celé látky (včetně dutin, pórů amezer) – objem Vp, který zahrnuje iobjem pórů Vp (viz obr. 2.3).

Obr. 2.3 Rozlišení objemu vlastní látky apórů

Vyjádřeno matematicky:

m m

ρ = –––– [kg/m3] ρv = –––– [kg/m3]

vh V

ρ – hustota, měrná (specifická) hmotnost [kg/m3]

ρv – objemová hmotnost [kg/m3]

m – hmotnost [kg]

Vh – objem tuhé fáze [m3]

V – objem včetně vnitřních pórů adutin [m3]

Přiklad

Vypočtěme objemovou hmotnost pórobetonového bloku orozměrech 500 × 1000 × 400 mm ahmotnosti 150 kg. Výsledná objemová hmotnost tohoto bloku je vlivem velkého množství pórů 750 kg/m3.
Zjistěme nyní měrnou hmotnost pórobetonu zpředešlého příkladu. Dokonalým rozemletím uvedeného bloku jsme získali 150kg hromadu prachu, kde objem všech zrníček dohromady je 50litrů (původní blok měl 200 litrů). Podílem objemu pevné fáze ahmotnosti dostaneme měrnou hmotnost 3 000 kg/m3.

Ze vzorců auvedených příkladů je zřejmé, že rozměrové jednotky obou těchto základních vlastností jsou stejné (kg/m3), číselně se však obě vlastnosti mohou značně lišit. Ulátek hutných (snulovou pórovitostí) akapalin budou obě hodnoty sobě rovné alze je vtomto případě vzájemně nahrazovat.

Objemová hmotnost upórovitých materiálů však závisí naobsahu vlhkosti amůže se sní měnit. Proto je třeba udávat ihodnotu vlhkosti, při které byla tato vlastnost stanovena (objemová hmotnost vsuchém stavu, vlhkém či zcela nasyceném stavu).

Pokud se týká pevných látek, není stanovení těchto vlastností (mimo uvedené závislosti navlhkosti) žádným problémem. Ulátek sypkých, kde se vedle pórovitosti jednotlivých zrn vyskytují také dutiny amezery, je objemová hmotnost ještě závislá najejich nakypření. Rozlišujeme pak objemovou hmotnost zrn (obj. hmotnost kusová), která je číselně stejná jako objemová hmotnost V= V>h + Vp). Zavedeme-li doobjemu iobjem mezer mezi zrny VM (V= Vh + Vp + VM), dostáváme objemovou hmotnost sypnou, která bude číselně menší (viz obr. 2.4)

Obr. 2.4 Rozlišení objemu vlastní látky, mezer mezi zrny apórů

Vh – objem tuhé fáze [m3]

Vp – objem vnitřních pórů adutin [m3]

VM – objem mezer mezi jednotlivými zrny [m3]

Vh – objem zrn [m3]

Objemová hmotnost sypná však bude závislá nastupni nakypření sypné látky, takže nebude pro daný sypký materiál stejná, bude záviset nastupni zhutnění (setřesení). Usypkých materiálů podle způsobu použití počítáme shodnotami vevolně sypaném stavu či setřeseném (zhutněném, zdusaném). Jako příklad možno uvést pórovité kamenivo, kdy je třeba rozlišovat vedle měrné hmotnosti až tři druhy objemových hmotností, viz následující příklady. Přehled objemových hmotností nejpoužívanějších stavebních materiálů je uveden vtab. 2.1.

Příklad

Doodměrného válce ohmotnosti 2 kg aobjemu 1 litr volně nasypeme suchý písek. Následným zvážením zjistíme, že plný válec má hmotnost 3,6 kg, což znamená, že litr písku veválci váží 1,6 kg. Sohledem naobjem válce tak můžeme stanovit objemovou hmotnost sypnou vhodnotě 1600 kg/m3. Pokud válec sundáme zváhy apísek začneme střásat, bude jeho objem postupně klesat. Vechvíli, kdy už se objem nebude měnit, odečteme naválci objem písku 800 ml. Objemová hmotnost sypná vsetřeseném stavu dosáhla hodnoty 2000 kg/m3.
Pokud bychom změřili objem, který mají všechna zrna písku dohromady (640 ml), objemová hmotnost zrn (kusová) by byla 2500 kg/m3.
Rozemletím tohoto vzorku písku azměřením objemu všech částic jsme zjistili, že objem částic je 620 ml (zrna písku mají určitou pórovitost). Měrná hmotnost tohoto písku je tedy 2580 kg/m3.

Tab. 2.1 Objemové hmotnosti nejpoužívanějších stavebních materiálů

Druh materiálu

Objemová hmotnost [kg/m3]

sypká staviva

cement

1000–1 200

štěrk

2200–2 600

hlína ajíl

1900–2 000

kámen

žula

2600–2 800

pískovec

1900–2 700

keramické výrobky

plné pálené cihly

1800–1 900

lehčené pálené cihly

1000–1 600

děrované výrobky

1000–1 300

dřevo

měkké vyschlé až vlhké

550–750

tvrdé

750–900

beton

prostý hutný beton

2100–2 400

železobeton

2300–2 500

lehčený beton (slehkým kamenivem)

1000–1 800

pórobeton

400–900

kovy

ocel

7850

hliník

2700

2.1.1.2 Hutnost, pórovitost, mezerovitost

Hutností (h) popisujeme stupeň vyplnění objemu látek vlastní pevnou fází. Lze ji tudíž definovat pouze ulátek pevných. Matematicky se vyjadřuje poměrem objemu pevné fáze kobjemu celkovému nebo poměrem objemové aměrné hmotnosti.

Vh ρv ρv

h = –––– = –––– [-] h = –––– · 100 [%]

v ρ V

Vh – objem pevné fáze [m3]

V – celkový objem [m3]

ρv – objemová hmotnost [kg/m3]

ρ – hustota, měrná hmotnost [kg/m3]

Vpraxi se uvádí jako desetinné číslo (vždy menší než 1) nebo se udává v%. Poměr objemu pórů vurčitém množství látky kcelkovému objemu tohoto množství se nazývá pórovitostí (p). Jestliže hovoříme pouze opórech otevřených (spojitých spovrchem materiálu), máme namysli tzv. pórovitost otevřenou, pokud vobjemu pórů uvažujeme pouze póry uzavřené (nepropojené spovrchem), hovoříme opórovitosti uzavřené. Stejně jako hutnost udáváme ipórovitost bezrozměrným číslem nebo v% aje vlastně doplňkem hutnosti dojednotky, resp. do100 %.

rv ρv

ρ = 1 – h = 1 – –––– [-] ρ = 1 – h = (1– ––– ) · 100 [%]

r ρ

p – pórovitost [-]

h – hutnost [-]

ρv – objemová hmotnost [kg/m3]

ρ – hustota, měrná hmotnost [kg/m3]

Pórovitost (p) se zjišťuje upevných látek nebo ujednotlivých zrn sypkých látek. Pórovitost přímo ovlivňuje vlhkostní parametry materiálů, jeho mechanické, tepelné iakustické vlastnosti. Kovové aplné materiály nabázi plastů mají pórovitost zcela zanedbatelnou, naopak pěnové materiály mohou dosahovat ipórovitosti větší než 95 %.

Příklad

Navážeme-li napředchozí příklady, můžeme jednoduše stanovit hutnost ipórovitost:
h = 0,97 (97 %)
p = 0,03 (3 %)

Mezerovitost (M) je vlastnost zjišťovaná ulátek sypkých avyjadřuje se poměrem objemu mezer mezi zrny acelkového objemu určitého množství sypké látky. Takto definovaná mezerovitost (viz obr. 2.4) se dá matematicky vyjádřit vztahem:

rVS

M = (1– ––– ) · 100 [%]

rVK

Vh – objem tuhé fáze [m3]

Vp – objem vnitřních pórů adutin [m3]

VM – objem mezer mezi jednotlivými zrny [m3]

Vh – objem zrn [m3]

rVS – objemová hmotnost zrn sypná [kg/m3]

rVK – objemová hmotnost zrn kameniva [kg/m3]

Zpředchozího popisu adefinice objemové hmotnosti vyplývá závislost objemové hmotnosti sypné nastupni setřesení (zhutnění). Mezerovitost bude narozdíl odpórovitosti hodnotou pro daný materiál nikoliv konstantní, ale závislou nazměně objemové hmotnosti sypné. Mezerovitost se nejčastěji zjišťuje upojených hmot, kde mezery mezi jednotlivými zrny plniva (kameniva) vyplňuje podstatně dražší pojivo (malty, betony) aslouží knávrhu jejich racionálního složení (receptury).

Příklad

Při stanovení mezerovitosti opět navážeme napředchozí příklady spískem:
M = 0,36 (36 %) – volně sypaný stav
M = 0,20 (20 %) – setřesený stav

2.1.1.3 Vlhkostní vlastnosti

Vlhkostí vestavebních materiálech popisujeme obsah vody, která je vnich přítomna veformě tzv. vody volné vpórových systémech, případně fyzikálně vázané. Vyjadřuje se poměrem množství přítomné vody vlátce kmnožství látky suché, ato buď hmotnostně, nebo objemově.

Hmotnostní vlhkost je tedy definována vztahem:

mvody mVS – mS mvody mVS – mS

Wh = ––––– = ––––––––– [-] Wh = ––––– = ( –––––––– ) · 100 [%]

mS mS mS mS

Objemová vlhkost

Vvody mW – mS Vvody mW – mS

Wo = ––––– = ––––––––– [-] Wo = ––––– = ( –––––––– ) · 100 [%]

V rvody · V V rvody · V

mv – hmotnost vody

mw – hmotnost vlhkého vzorku

ms – hmotnost suchého vzorku

ρvody – objemová hmotnost vody

Protože navlhkosti materiálu závisí řada ostatních vlastností, vzrůstem vlhkosti stoupá jeho objemová hmotnost, zvyšuje se tepelná vodivost, nastávají izměny pevnostních charakteristik. Vlhkost materiálu představuje zvláště unejpoužívanějších materiálů nabázi silikátů zásadní parametr pro posuzování jejich funkce vestavební konstrukci. Kvlhkostním vlastnostem se dále počítají tzv. nasákavost, navlhavost, vysýchavost, vzlínavost, parametry difuze apropustnosti.

Příklad

Odebraný vzorek pískovce byl vložen dováženky anásledně byla vlaboratoři určena jeho hmotnost 560 g. Vzorek byl vložen dosušárny aprůběžně vážen. Vechvíli, kdy se již hmotnost vzorku neměnila, byla zkouška ukončena. Konečná hmotnost vysušeného vzorku byla 510 g. Hmotnostní vlhkost odebraného vzorku tedy byla 9,8 %.
Kvádr pískovce orozměrech 40 × 40 × 160 mm měl hmotnost vevlhkém stavu 600 g, povysušení 550 g. Jeho hmotnostní vlhkost tedy byla 9 %, objemová hmotnost pak 19,5 %.

Nasákavostí máme namysli maximální stav vlhkosti, již je materiál schopen přijmout (tedy vody vkapalné formě); navlhavost avysýchavost popisují chování materiálu přijímáním vlhkosti při procesu opačném. Udává se jako množství vody najednotku hmotnosti nebo plochy.

Vzlínavost se projevuje při částečném ponoření materiálu dovody avlivem kapilárních asorpčních sil dochází kestoupání vody nad čáru ponoru. Vyskytuje se hlavně unadzemního zdiva, které není vůbec nebo je špatně izolováno odzemní vlhkosti. Zkoušky vzlínavosti se obvykle provádějí nazkušebních tělesech částečně ponořených vkapalině azaznamenává se výška pronikající vlhkosti.

Obr. 2.5 Vzlínání vlhkosti zkušebním vzorkem ze sádry

Pro úplnost je třeba se ještě zmínit oprocesech, které označujeme jako difuze apropustnost. Voboru stavebních materiálů se nejvíce uplatňuje difuze vodní páry (transport vodní páry materiálem), která se projevuje jejich navlhavostí avysýchavostí. Hodnoty součinitelů difuze jsou důležité pro posuzování nejen hydroizolačních materiálů, ale itepelněizolačních systémů. Difuze vodní páry je obvykle popisována součinitelem difuze δ (kg/m·s·Pa), který lze definovat jako množství páry (kg), které projde materiálem dohloubky 1 m naploše 1 m2 při tlakovém spádu 1 Pa zadobu 1 s.

Propustnost stavebních materiálů vsobě zahrnuje nejen procesy difuzní, ale přenos vody otevřenými póry či trhlinami vmateriálu (viz obr. 2.6). Nejvíce se využívá vmechanice zemin, vevodním stavitelství, při hodnocení betonu, střešních krytin apod. Propustnost je obvykle udávána jako množství vody, které projde materiálem zajednu sekundu naploše 1 m2 (kg/s·m2).

Obr. 2.6 Vzájemný vztah mezi pórovitostí apropustností (pórovitost uzavřená – nulová propustnost, pórovitost otevřená – nízká propustnost, kombinovaná pórovitost – vyšší propustnost, makropóry – vysoká propustnost)

2.1.1.4 Zrnitost aměrný povrch

Obr. 2.7 Přístroj naměření měrného povrchu (Blainův přístroj)

2.1.2 Mechanické vlastnosti

2.1.2.1 Vlastnosti přetvárné

deformační chování – lineární vpřímkové části, nelineární vzakřivené části grafu;

mez úměrnosti – hranice, poniž se materiál chová lineárně pružně (fe );

mez kluzu – kritické napětí, při kterém materiál přechází ze stavu pružného dostavu tvárného (dochází krychlému nárůstu deformace bez dalšího zvyšování napětí). Veškeré deformace před dosažením meze kluzu jsou vratné (fy );

mez pevnosti – nejvyšší dosažené napětí odpovídající nejvyššímu bodu nakřivce, tedy hranici, kdy již matriál nedokáže vzdorovat dalšímu napětí (fu );

houževnatost – daná množstvím přetvárné práce (plochou pod diagramem) kdosažení stejné deformace;

modul pružnosti E je definován zHookeova zákona jako poměr napětí skpoměrné deformaci e. Má rozměr napětí, platí pro látky pružné, jejichž pracovní diagram je přímkový. Ulátek, které vedle deformací pružných vykazují ideformace nepružné, se tato veličina nazývá modul přetvárnosti. Modul pružnosti představuje důležitou materiálovou charakteristiku, jelikož vystihuje chování daného materiálu vlivem vnějšího zatížení. Různé materiály mají jeho různou hodnotu, některé znich jsou uvedeny vtab. 2.3. Nahodnotu modulů pružnosti má vliv teplota aupórovitých (nasákavých) látek ivlhkost. Vliv teploty je významný zvláště pro materiály ztermoplastů.

s

E = –––– [MPa]

e

pevnost strukturní (teoretická), stanovená nazákladě povahy vazebných sil mezi atomy, ionty, molekulami ačásticemi látek materiál vytvářejícími; její stanovení bývá značně složité aobtížné, hodnocení materiálů většinou využívá hodnot pevností stanovených experimentálně;

pevnost technická, sloužící vestavební praxi pro stanovení výpočtových hodnot pro projektování aprovádění kontroly jakosti stavebních materiálů použitých vkonstrukci;

pevnost zhlediska statistického, která nazákladě teorie pravděpodobnosti zajišťuje spolehlivé konstrukční návrhy ibez znalosti skutečných pevností materiálů zabudovaných vkonstrukci; využívá výsledků stanovení technické pevnosti.

Příklad

2.1.3 Tepelné vlastnosti

2.1.4 Akustické vlastnosti

2.1.5 Radioaktivita stavebních materiálů, optické aelektrické vlastnosti

2.1.6 Chemické, fyzikálněchemické abiologické vlastnosti

2.1.7 Trvanlivost stavebních materiálů akonstrukcí

2.1.8 Vlastnosti ekologické

2.2 Vzájemné vztahy mezi vlastnostmi stavebních materiálů

2.3 Přehled hodnot nejdůležitějších vlastností stavebních materiálů