Struktura a vlastnosti stavebních látek

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STAVEBNÍ
Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc.
Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc.
STAVEBNÍ LÁTKY
MODUL BI01-M01
Struktura a vlastnosti stavebních látek

STUDIJNÍ OPORY
PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
StUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN






























Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor.

© Prof. Ing. Jiří Adámek, CSc.
Doc. Ing. Leonard Hobst, CSc.

-  (47) -
Obsah
- 3 (47) -
OBSAH
ÒYRG
1.1 Cíle ......................................................................................................5
1.2 Požadované znalosti ............................................................................5
1.3 Doba potřebná ke studiu......................................................................5
1.4 Klíčová slova.......................................................................................5
 6WUXNWXUDVWDYHEQtFKOiWHN
2.1 Rozdělení pevných látek podle struktury............................................7
2.2 Krystalické látky .................................................................................8
2.3 Amorfní látky ......................................................................................9
2.4 Koloidní látky......................................................................................9
2.5 Pevné směsi.........................................................................................9
2.6 Vyztužené látky.................................................................................10
2.7 Vícefázové látky................................................................................10
2.7.1 Pórovité látky ............................................................................10
2.7.2 Sypké látky................................................................................11
2.7.3 Vícefázové látky s nosnou výplní pórů.....................................11
 )\]LNiOQtYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
3.1 Vlastnosti tvarové a rozměrové.........................................................13
3.2 Vlastnosti hmotnostní........................................................................13
3.3 Vlastnosti ve vztahu k vodě a plynům ..............................................15
 0HFKDQLFNpYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
4.1 Síla, tíha, napětí.................................................................................17
4.2 Přetvárné (deformační) vlastnosti materiálu .....................................18
4.3 Pevnost stavebních hmot...................................................................22
4.4 Tvrdost materiálu ..............................................................................27
4.5 Reologické vlastnosti ........................................................................28
4.6 Tepelné vlastnosti..............................................................................29
4.7 Tepelně technické vlastnosti .............................................................31
4.8 Ostatní vybrané vlastnosti stavebnin.................................................32
4.8.1 Akustické vlastnosti ..................................................................32
4.8.2 Optické a světelnětechnické vlastnosti......................................32
4.8.3 Elektrické a magnetické vlastnosti............................................32
4.8.4 Chemické vlastnosti ..................................................................32
6WUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
4.8.5 Biologické vlastnosti ................................................................ 33
4.8.6 Technologické, bezpečnostní, hygienické a fyziologické
vlastnosti 33
4.9 Přehled nejdůležitějších vlastností stavebních materiálů ................. 33
 7UYDQOLYRVWDRGROQRVWPDWHULiO
$
5.1 Koroze kovů ..................................................................................... 36
5.2 Koroze betonu................................................................................... 38
5.3 Koroze polymerů .............................................................................. 41
5.4 Odolnost a životnost ostatních stavebních materiálů ....................... 42
5.4.1 Odolnost materiálů proti mrazu................................................ 42
5.4.2 Odolnost proti ohni................................................................... 43
5.4.3 Odolnost proti obrusu ............................................................... 44
$XWRWHVW
=iY
U
7.1 Shrnutí .............................................................................................. 45
7.2 Klíč k autotestu................................................................................. 45
 6H]QDPSRXåLWpOLWHUDWXU\


















-  (47) -
ÒYRG
- 5 (47) -
1 Úvod
1.1 Cíle
V úvodní části učebního textu se seznámíte se základními vlastnostmi látek,
s jejich strukturou a s jejich fyzikálními a mechanickými vlastnostmi. Další
část textu bude zaměřena na vybrané stavební látky na jejich nejdůležitější
vlastnosti. Závěr textu je věnován trvanlivosti a odolnosti stavebních materiálů.

1.2 Požadované znalosti
Pro porozumění studijního textu jsou dostatečné znalosti, získané na střední
škole, z fyziky, chemie a matematiky.

1.3 Doba potřebná ke studiu
Doba studia závisí na znalostech čtenáře. Pokud čtenář zvládl v dřívějším stu-
diu základy fyziky a chemie, stačí na studium tohoto učebního textu 6 až 8 hod.
studia. Pokud čtenář tyto základy nemá, je nutno počítat s 12 až 16 hod. studia.

1.4 Klíčová slova
Krystalické látky, amorfní látky, koloidní látky, pevné směsi, vyztužené látky,
objemová hmotnost, pórovitost, objemová vlhkost, síla, tíha, napětí, pracovní
diagramy, tvrdost materiálu, tepelná vodivost, koroze, odolnost, životnost

6WUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
-  (47) -
6WUXNWXUDVWDYHEQtFKOiWHk
- 7 (47) -

2 Struktura stavebních látek
2.1 Rozdělení pevných látek podle struktury
Stavební hmoty jsou základní součástí všech stavebních konstrukcí a ve většině
případů rozhodují o vlastnostech, použitelnosti, kvalitě konstrukce i celé stav-
by. Jako stavební materiály jsou považovány téměř výlučně pevné látky, v
nichž jsou jednotlivé částice a součásti více či méně pravidelně uspořádány a
zaujímají vůči sobě stejné rovnovážné polohy. Způsobem uspořádání částic je
určena struktura látky. Liší se od sebe specifickými vlastnostmi, tj. takovými,
které nezávisí na velikosti, množství a tvaru látky. Podle jistého, v daném obo-
ru uplatněného měřítka lze rozeznávat :
• makrostrukturu tj. stavbu hmoty ze součástí rozlišitelných pouhým
okem, nebo za použití optického mikroskopu při malém zvětšení, nebo
• mikrostrukturu za niž se zpravidla považují částice v rozmezí µm až
základní mříž vystavěná z molekul, atomů či iontů.

Podle struktury se pevné látky dělí na :
• prosté - kam patří všechny látky jednosložkové a
• složené - vícesložkové, jejichž jednotlivé složky tvoří látky prosté.

Ani toto rozdělení není zcela jednoznačné a proto nám, z hlediska použití pev-
ných látek jakožto stavebních materiálů, vyhovuje lépe následující systém čle-
nění :
• látky prosté
o krystalické
o amorfní
o koloidní
• látky složené
o pevné směsi
o vyztužené (kompozita, lamináty)
o vícefázové.
Dále podle způsobu uspořádání struktury mohou být látky :
• izotropní , struktura je ve všech směrech stejná,
• anizotropní, kdy je struktura ve všech směrech odlišná a látka vykazu-
je v různých směrech rozdílné vlastnosti.
• homogenní, jinak říkáme stejnorodé (sklo) a
• heterogenní, nestejnorodé, nehomogenní (beton, keramika ad).
6WUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
2.2 Krystalické látky
Krystalické látky se navenek projevují tím, že v tuhém stavu tvoří symetrické
útvary ohraničené pravidelnými plochami, které nazýváme krystaly. Jejich
základní částice, tj. atomy, ionty nebo molekuly jsou v prostoru pravidelně
uspořádány podle jednoduchých geometrických schémat a vytvářejí krystalic-
kou mřížku. Strukturu krystalu můžeme jednoduše vykládat jako pravidelné
opakování základních jednotek tzv. elementárních buněk, jejichž opakováním v
prostoru lze vytvořit celou krystalovou mřížku. Elementární buňky jsou jedno-
duché prostorové útvary, jako krychle, čtyřstěny a p. a jsou v krystalu seřazeny
tak, že ve všech třech směrech periodicky zachovávají rozestupy a orientaci. Z
tohoto důvodu má krystal nebo jeho části ve všech místech stejné geometrické
tvary jako elementární buňka. Podle tvaru elementární buňky, podle velikostí
hran a úhlů (počtu prvků její souměrnosti), lze všechny krystaly rozdělit do 7
krystalografických soustav :

•
trojklonná (triklinická) - albit NaAlSi
3
O
8
,

• jednoklonná (monoklinická) - sádrovec, ortoklas,
• kosočtverečná (rombická a ortorombická),anhydrit, aragonit,
• čtverečná (tetragonální) - rutil TiO
2
,
• šesterečná (hexagonální) - SiO
2
∝-křemen,
• klencová (trigonální a romboedrická), kalcit a korund,
• krychlová (kubická) - CaO.

Stavba krystalové mřížky je dána charakterem vazebných sil, které k sobě pou-
tají částice pevné hmoty. Základní typy krystalických mřížek jsou mřížky
iontové, atomové, molekulové a kovové.
Iontová krystalická mřížka se vyskytuje u látek vytvořených z iontů - kati-
ontů a aniontů. Nacházíme ji především u sloučenin kovů s nekovy např. Na-
Cl, CaO, CaCl
2
ap.
Atomová krystalická mřížka je vybudována z atomů spojených mezi sebou
kovalentními vazbami - ta vzniká společným sdílením elektronů různými ato-
my např. u sloučenin kovů s uhlíkem (karbidy), křemíku či dusíku (nitri-
dy).Látky mají vysoký bod tání, vysokou tvrdost a chemickou odolnost.
Molekulová krystalová mřížka je vybudována z molekul, které jsou mezi
sebou vázány poměrně slabými silami van der Walsovými (jsou to mezimo-
lekulární přitažlivé síly poutající navzájem jednotlivé molekuly). Látky mají
malou pevnost, jsou měkké, plastické a mají nízký bod tání. Typickým před-
stavitelem jsou makromolekulární látky.
Kovová krystalová mřížka - atomy poutány kovovou vazbou. Ta je obdobná
kovalentní vazbě s tím rozdílem, že malý počet atomů kovů nestačí při vzá-
jemném sdílení valenčních elektronů k doplnění na oktet. Mřížka je tvořena
kationty vzájemně vázanými a společně sdílenými a přitom do značné míry
pohyblivými valenčními elektrony. Právě toto dodává kovům jejich charakte-
ristické vlastnosti - velkou elektrickou a tepelnou vodivost, kujnost a tažnost,
kovový lesk ad.
-  (47) -
- 9 (47) -
2.3 Amorfní látky
Za amorfní neboli beztvaré označujeme takové látky, jejichž struktura není
prostorově uspořádána do geometrické pravidelné mřížky. Proto tyto látky v
přírodním stavu nevytvářejí pravidelná tělesa a nemají rovné štěpné plochy.
Příkladem jsou např. skla a pryskyřice.
2.4 Koloidní látky
Koloidní chemie je věda, která pojednává jednak o dispersních soustavách,
jejichž rozměry jsou co do velikosti v určitých rozměrových hranicích a jed-
nak o hmotových systémech, které obsahují takové částice nebo struktury z
nich vytvořené. Dispersní soustava je systém skládající se nejméně ze dvou
druhů hmoty, z nichž jeden druh je rozptýlen v druhém ve formě více nebo
méně drobných částic.Velikost dispersních částic nejčastěji vyjadřujeme jejich
význačným lineárním rozměrem.
Za hrubě dispersní látky považujeme takové, které jsou tvořeny částicemi od
1 mm do 10
-3
mm
.
Koloidně dispersní jsou tvořeny částicemi jejichž nejmenší rozměry se po-
hybují v rozmezí 10
-4
až 10
-6
mm, přičemž druhý a třetí rozměr může být i vět-
ší. Právě podle těchto jednotlivých rozměrů rozdělujeme koloidní látky na :
• zrnité
• jehlicové
• destičkové (lamelové).
U jehlicovitých a destičkových koloidů jeden resp. dva rozměry převyšují nej-
menší submikroskopický rozměr zhruba o dva řády a stavba těchto částeček je
zpravidla krystalická. Mezi koloidní látkou sestávající z krystalických částeček
a látkou krystalickou nelze často stanovit pevnou hranici.
Koloidní látky mají vysoký měrný povrch a jejich chování je proto silně závislé
na vzájemném působení mezi pevnými částečkami a plynnou nebo kapalnou
fází přítomnou v dutinách a mezerách. Jako příklad lze uvést cementový tmel a
jíly pro krystalické koloidy a např. latexy pro koloidy amorfní.
2.5 Pevné směsi
Pevné směsi sestávají ze dvou nebo více odlišných pevných látek vzájemně
spojených vazebními silami. Jsou-li částice představovány atomy nebo mole-
kulami rovnoměrně rozptýlenými, nazývá se tato směs homogenní.Jestliže
jednotlivé látky, tvořící pevnou směs, jsou soustředěny do oblastí, jež lze me-
chanicky od sebe oddělit, jedná se o směs heterogenní. Pevné směsi mohou
vznikat různým způsobem, např. krystalizací z roztoků ochlazením taveniny,
spékáním zrnitých směsí při vyšších teplotách, přidáním pevných částic jedné
látky do tuhn. látky druhé, nebo slep. pevn. částic látkou s adhezním účinkem.
6WUXNWXUDVWDYHEQtFKOiWHk
6WUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
Vznikne-li pevná směs ochlazením taveniny a jde-li přitom o kovy, nazývá se
taková směs slitinou. Ta může mít povahu tuhého roztoku nebo strukturu až
heterogenní.
Spékané směsi se také nazývají materiály slinuté, jako např. polotovar pro
výrobu cementu - slínek.
Velkou skupinu velmi důležitých materiálů představují pevné směsi, které se
podle způsobu vzniku jejich struktury nazývají hmoty pojené. Skládají se z
pojiva a plniva. Pojivo zajišťuje kohezi materiálu a plnivo vytváří základní
strukturu (kostru, skelet).
Vlastnosti pevných směsí jsou závislé na vlastnostech jednotlivých součástí a
to jak na jejich absolutních hodnotách, tak i na jejich vzájemném poměru a
způsobu jejich prostorového uspořádání.
2.6 Vyztužené látky
Vyztužené látky jsou vlastně pevné směsi, v nichž jedna součást (obvykle pev-
nější a houževnatější), tvoří nosný systém hmoty, přičemž druhá součást zajiš-
ťuje vnitřní soudržnost hmoty a zprostředkuje přenos vnitřních sil do elementů
součásti prvé. Prvá, nosná, součást se nazývá výztuž neboli armatura, na rozdíl
od plniva v předešlém případě a druhá tmelící součást se označuje opět jako
pojivo. Příkladem vyztužené látky může být např. azbestocement, sklolami-
nát, železobeton ap.
Vlastnosti vyztužených látek, obdobně jako u pevných směsí, závisí na abso-
lutních hodnotách vlastností složek, na jejich poměru, na jejich objemovém
zastoupení, na způsobu uspořádání, výskytu defektů a hlavně na vzájemné sou-
držnosti složek.
2.7 Vícefázové látky
Vícefázovými látkami rozumíme takové materiály, v nichž jsou zastoupeny
fáze různého skupenství (na rozdíl od pevných směsí).Podle funkce, kterou má
ve vícefázových látkách fáze kapalná a plynná, rozdělujeme tyto látky na :
• pórovité,
• sypké,
• vícefázové s nosnou výplní pórů.
2.7.1 Pórovité látky
Pórovitými látkami jsou míněny materiály, v nichž pevná fáze tvoří kostru,
která obsahuje dutiny - póry. Ty mohou být zaplněny plyny nebo kapalinami,
zejména vodou. Ani plynná ani kapalná fáze se nepodílí na nosné funkci, ale
může ovlivňovat vlastnosti materiálu nepřímo.
-  (47) -
- 11 (47) -
2.7.2 Sypké látky
Sypkými látkami rozumíme přírodní nebo umělý zrnitý anorganický materiál
charakterizovaný průměrem a tvarem zrna. Tyto materiály nemají vnitřní sou-
držnost a jejich odpor proti účinkům zatížení je dán pouze tzv. vnitřním třením
neboli odporem proti vzájemnému posunování jednotlivých zrn. Posunem
částic dochází buď k setřásání (zhutňování) nebo ke kypření.
2.7.3 Vícefázové látky s nosnou výplní pórů
U tohoto druhu látek se kapalná fáze přítomná v pórech podílí na nosné funk-
ci. Mezi kapalnou a pevnou fází vznikají přitažlivé mezifázové síly, tj. moleku-
ly kapaliny či plynu jsou určitým způsobem vázány (adsorbovány) k povrcho-
vým molekulám pevné fáze. Tyto vazby mohou být pouze fyzikální (vlivem
van der Walsových sil) nebo i chemické (vazbou iontovou, kovalentní, či ko-
vovou), a pak mluvíme o chemisorpci.
Adsorpcí je znemožněn volný pohyb molekul v hraniční vrstvě obou fází.Proto
má adsorbovaná kapalina poněkud jiné chování než kapalina volná ve větších
dutinách. Kapalnou fázi představuje většinou voda a tu rozlišujeme na :
• fyzikálně vázanou
o volnou - vyplňující větší póry a řídící se zákony hydrauliky
o kapilární - tvořící výplň menších pórů a dutin (kapilár), jejíž po-
hyb je určován jak hydraulickými zákony, tak i mezifázovými
silami
o adsorbovanou - vyplňující nejmenší póry a pokrývající stěny
kapilár. Tato voda, ovlivňovaná především mezifázovými sila-
mi, je k pevné fázi silně vázána a proto např. k překonání těchto
sil při odpařování je potřeba větší výparné teplo.
• chemicky vázanou - tvořící součást základní mřížky látek, např.jako
voda krystalová. Její odstranění je možné je rozkladem původní látky.

Kontrolní otázky:
1. Jaké jsou typy mřížek u krystalických látek?
2. Jaká je nejznámější amorfní látka?
3. Co jsou dispersní látky?
6WUXNWXUDVWDYHEQtFKOiWHk
6WUXNWXUDDYODVWQRVWLVWDYHEQtFKOiWHN
-  (47) -
)\]LNiOQt vlastnosti stavebních látek
- 13 (47) -
3 Fyzikální vlastnosti stavebních látek
3.1 Vlastnosti tvarové a rozměrové
Zahrnují kvalitativně popis tvaru, případně jeho dodržení (např. krychle, hra-
nol s rovinnými stěnami, válcový vývrt, kruhový ocelový prut s dvěma podél-
nými výstupky a žebírky) a související geometrické veličiny (např. délka L,
šířka b, výška h, tloušťka t nebo h, průměr d, plocha A, objem V) s přiřazenými
číselnými hodnotami. Délkové vlastnosti se zajišťují měřením délkovými mě-
řidly s danou spolehlivostí a přesností. Měřicí jednotkou je [ m ], dílčími jed-
notkami [ mm ], výjmečně [ cm ]. Rozměry prvků mohou být skladebné (po-
třebné pro projektování), výrobní (dané výrobními možnostmi) a skutečné
(dané realizací na stavbě) . Mimo ně bývají uváděny tzv. výrobní nebo mon-
tážní tolerance, tj. mezní hodnoty, uvnitř nichž se výsledný rozměr výrobku
musí pohybovat.
Plošnou jednotkou je [ m
2
, mm
2
]
Objemovou jednotkou je [ m
3
], dílčí [ mm
3
].
3.2 Vlastnosti hmotnostní
Vyjadřují tíhové (gravitační) a setrvačné vlastnosti látek, které zaujímají urči-
tý objem prostředí - tj. hmotných objektů. Zjišťují se vážením stavebnin vypl-
ňujících určitý objem.

Hmotnost m je základní fyzikální veličinou, která vyjadřuje gravitační setr-
vačné vlastnosti látky a která tvoří míru jejího množství. Nezávisí na místě
měření a jeho tíhovém zrychlení (na zemi i na měsíci stejná hmotnost látky
zaujme stejný objem). Její základní jednotkou je [kg]. Jako dílčí jednotky se
užívá [g], [mg], místo násobné jednotky [Mg] se používá název tuna [t].

Hustota ρ j