Materiallære. 3 [3] 8251903971 [PDF]

Zitiervorschau

MATERIALLÆRE DEL III

Institutt for bygningsmateriallære

Norges tekniske høgskole Universitetet i Trondheim

Depotbiblioteket

TAPIR 1980

ISBN 82-519-0397-1

I

FORORD TIL DEL 3 AV 1980 I løpet av studieåret 1979-80 ble undervisningen i Mate­ riallære ved Bygningsingeniøravdelingen, NTH, lagt vesentlig

om, bl.a. utgjør løsning av regneoppgaver nå en sentral del av kursopplegget.

For bedre å tilpasse stoffet til det nye kurs­

opplegget pågår det for tiden en revisjon og omarbeiding av tidligere utgitte lærebøker (Materiallære del 1 og del 2).

Som et ledd i denne pågående revisjon er det utarbeidet en del 3 som er en midlertidig komplettering av del 1 og del 2. Ca 40% av stoffet i del 3 er kun en omarbeidet og til dels forkortet utgave av tilsvarende stoff i del 1 og del 2, mens

ca 60% er nytt stoff.

Å skrive et kompendium i materiallære vil i det vesent­

ligste bestå i å sammenfatte resultater og kjente hypoteser fra en rekke forskjellige litteraturkilder.

Den litteratur vi

har benyttet er angitt i litteraturoversikten på slutten av

hvert kapittel. Vi vil rette en takk til alle de fagfolk vi har vært i kontakt med under utarbeidelsen av denne del 3 og som på en

eller annen måte har gjort utgivelsen mulig.

En spesiell takk

vil vi rette til amanuensis Ivar Gukild som i sin helhet har skrevet kapitteldelen om korrosjon. Vi vil også rette en takk til kontorassistent Sidsel Talseth og dr.ing. Per Jostein Hovde som på ulike måter har

bidratt til utarbeidelsen av denne kompletterende del 3.

Trondheim i august 1980

Odd E. Gjørv

Matz Modéer

Professor, Dr.techn.

Amanuensis, Tekn.dr.

III

INNHOLDSFORTEGNELSE TIL DEL III

30

Innledning

♦■

30.1 ØKONOMISKE ASPEKTER

30-1

30.2 VALG OG BRUK AV MATERIALER

30-1

30.3 MATERIALEGENSKAPER OG FUNKSJONSKRAV

31

30-3

Porøsitet og densitet 31.1 GENERELT

31-1

31.2 PORØSITETENS STØRRELSE OG BETYDNING

31.3 DEFINISJONER OG FORBINDELSER

31-3

31-7

31.4 METODER FOR Å BESTEMME PORØSITETSFORHOLD OG DENSITET 31-9

LITTERATUR

32

31-14

Varmetransport 32.1 TRANSPORTMEKANISMER 32.2 VARMELEDNINGSEVNE

32-1 32-4

32.3 VARMELEDNINGSEVNE FOR TOKOMPONENTMATERIALER 32-8 32.3.1 Parallellmodellen 32-10 32.3.2 Seriemodellen 32-11 32.3.3 Matematiske mellom-modeller 32-12 32.3.4 Kubisk modell 32-13 32.3.5 Maxwell-Hashin-Hansens modell 32-15 32.3.6 Sammenligning av de forskjellige modellene

32-15

32.4 FAKTORER SOM PÅVIRKER Å FOR PORØSE MATERIALER 32-17 32.4.1 Temperaturens innvirkning på Å^ot 32-18 32.4.2 Porøsitetens innvirkning på Å-f-ot 32-19 32.4.3 Fuktighetens innvirkning på Åtot 32-22 32.4.4 Gassfyllingens innvirkning på Åto-|- 32-25 32.5 APPARATURFOR MÅLING AV Å-VERDIER FOR BYGNINGSMATERIALER 32-26

32.6 MATERIALDATA LITTERATUR

32-30

32-28

IV

33

Bestandighet 33.1 GENERELT

33-1

33.2 NEDBRYTNINGSMEKANISMER 33-2 33.2.1 Fysikalsk nedbrytning

33-3

33.2.1.1 Volumendring 33-3 33.2.1.1.1 Temperaturens innflytelse under vanlige funksjonsforhold 33-3 33.2.1.1.2 Volumendringer som følge av fuktvariasjoner i materialet 33-7 33.2.1.2 Forvitring 33-16 33.2.1.3 Frostsprengning 33-17 33.2.1.3.1 Makroskopisk islinsedannelse 33-18 33.2.1.3.2 Hydraulisk trykk 33-19 Vannmetningsgrad 33-21 Aktuelle vannmetningsgrader og frostbestandigbet 33-24 Bedømmelse av frostskader 33-26 Flere fryse tine sykler med vanntilførsel 33-27 Bestemmelse av kritisk vannmetningsgrad, SfKR 33-30 Bestemmelse av aktuell vannmetnings­ grad og frostbestandighet 33-31

33.2.2 Biologisk angrep 33-33 33.2.3 Strålingsangrep 33-35 33.2.4 Kjemisk angrep 33-36

33.3 ELEKTROKJEMISK ANGREP (egen sidenummerering) •Hva menes med korrosjon 1 •Hva er et metall? 4 •Hvorfor korroderer metaller? 5 ■Hva skjer når et metall settes i kontakt med vann? 7 ■Elektronoppløsningen som skjer når et metall settes i kontakt med vann 9 •Likevektspotensialet for red/oks-par 14 ■Hastigheten på aktuelle anode- og katodeprosesser 22 •Korrosjonsmodellen, pourbaixdiagrammet og passivitet 35 •Bruk av polarisasjonsdiagram for bestemmelse av korrosjonens hastighet 43 ■Eksempler på korrosjon ved makroelementer 51 •Korrosjon og korrosjonsbeskyttelse ved fremmedstrøm 58 •Avsluttende bemerkning 65 33.4 MILJØFAKTORER 33-39 33.4.1 Atmosfære 33-39 33.4.2 Klima 33-43 33.4.3 Vann 33-43 33.4.4 Jordsmonn 33-45 33.4.5 Andre faktorer 33-45 33.5 MATERIALPRØVING 33-45 33.5.1 Tidsfaktoren 33-46 33.5.1.1 Ekstrapolering i tid 33-47 33.5.1.2 Akselerert prøving 33-51

33.5.2 Forsterket samvirke av nedbrytende faktorer 33.5.3 Samvirke mellom materialer 33-53 33.5.4 Teoretiske modeller 33-53 LITTERATUR

33-55

33-52

V

3^4

Materialers

oppførsel ved høye temperaturer

34.1 INNLEDNING

34-1

34.2 DEFINISJONER 34-1 34.2.1 Kjemiske reaksjoner 34-1 34.2.2 Forbrenning 34-3 34.2.3 Brann 34-4 34.2.4 Varme 34-7 34.2.5 Forbrenningshastighet 34-10 34.2.6 Branntemperatur 34-11 34.3 FORUTSETNINGER FOR BRANN 34-13 34.3.1 Det brennbare stoffet 34-13 34.3.1.1 Brennbarhet 34-13 34.3.1.2 Tennbarhet 34-14

34.3.2 Oksygenet 34-14 34.3.3 Tenntemperatur 34-16 34.3.3.1 Tenning 34-16 34.3.3.2 Selvtenning 34-18

34.4 FYSIKALSKE VIRKNINGER PÅ MATERIALET

34-19

34.5 FORANDRINGER AV MEKANISKE EGENSKAPER 34.5.1 Fasthetsegenskaper 34-21 34.5.2 Deformasjonsegenskaper 34-22 34.5.3 Temperaturbevegelser 34-23 34.6 VARMEBESTANDIGE MATERIALER

34-20

34-25

34.7 BRANNTEKNISK BESKYTTELSE 34-26 34.7.1 Metoder for isolering 34-27 34.7.2 Metoder for øking av varmekapasiteten

34-28

34.8 BRANNTEKNISK PRØVING 34-28 34.8.1 Bestemmelse av brennbarhet 34-29 34.8.2 Bestemmelse av antennelighet 34-30 34.8.3 Bestemmelse av røykutvikling 34-31 34.8.4 Bestemmelse av overtenning og røykutvikling 34.8.5 Bestemmelse av flammespredning 34-34 34.8.6 Bestemmelse av giftighet av forbrenningsgassene 34-35

34.9 PRESENTASJON AV PRØVINGSRESULTATER 34-37 34.9.1 Oksygen Indeks 34-37 34.9.2 Røykutvikling 34-39 34.9.3 Giftighet av forbrenningsgassene 34-40 34.9.4 Samlet vurdering 34-40 34.10 MATERIALDATA 34-43 34.10.1 Diverse egenskaper 34-43 34.10.2 Samlet vurdering ved hjelp av brann-indeks 34-46 34.10.3 Samlet vurdering ved hjelp av brann-karakteristikk 34-48

LITTERATUR

34-49

34-33

VI

35

Permeabilitet 35.1 VÆSKEPERMEABILITET 35.2 GASSPERMEABILITET

LITTERATUR

36

35-1

35-2

35-5

Keramiske materialer 36.1 GENERELT

36-1

36.2 RÅMATERIALET 36-2 36.2.1 Leire 36-2 36.2.2 Tilsetningsstoffer

36-3

36.3 FRAMSTILLING 36-4 36.3.1 Generelt 36-4 36.3.2 Råstoffbehandling 36-4 36.3.3 Forming 36-5 36.3.4 Tørking 36-6 36.3.5 Brenning 36-8 36.3.6 Sortering 36-13 36.3.7 Glassering og engobering

36.4 MATERIALEGENSKAPER 36-14 36.4.1 Generelt 36-14 36.4.2 Fasthetsegenskaper 36.4.2.1 36.4.2.2 36.4.2.3 36.4.2.4

36-14

36-15

Generelt 36-15 Trykkfasthet 36-16 Strekkfasthet 36-17 Bøyefasthet 36-18

36.4.3 Deformasjonsegenskaper 36.4.4 Porøsitet 36-20 36.4.4.1 Porestruktur 36-20 36.4.4.2 Porevolum og romdensitet 36.4.4.3 Materialdata 36-24

36-19 36-22

36-25

36.4.5 Varmetransportegenskaper 36.4.5.1 Spesifikk varmekapasitet 36.4.5.2 Varmeledningsevne 36-25

36.4.6 Fukttekniske egenskaper 36.4.6.1 36.4.6.2 36.4.6.3 36.4.6.4 36.4.6.5

36-25

36-28

Generelt 36-28 Minuttsug 36-28 Vannabsorpsjon 36-29 Sugehastighet 36-30 Materialdata 36-31

36.4.7 Bestandighet

36-32

36.4.7.1 Volumbestandighet 36-32 36.4.7.1.1 Spesifikk varmeutvidelse 36.4.7.1.2 Svinn 36-34 36.4.7.2 Fysikalsk angrep 36-34 36.4.7.3 Kjemisk angrep 36-35

36.5 TEGLPRODUKTER LITTERATUR

36-38

36-37

36-32

VII

37

POLYMERE MATERIALER

37.1 GENERELT

37-1

37.2 OPPBYGGING OG STRUKTUR 37-1 37.2.1 Kjedemolekylets oppbygging 37-1 37.2.2 Bindinger 37-5 37.2.3 Geometriske effekter og taktisitet 37.2.4 Krystallinitet 37-7 37.2.5 Tilsetningsstoffer 37-8 37.2.5.1 Generelt 37-8 37.2.5.2 Myknere 37-8 37.2.5.2.1 Generelt 37-8 37.2.5.2.2 Ytre myknere 37-9 37.2.5.2.3 Indre myknere 37-9 37.2.5.3 Stabilisatorer 37-9 37.2.5.4 Fyllstoffer 37-10 37.2.5.5 Pigmenter 37-10 37.2.5.6 Brannhemmende stoffer 37-10 37.2.5.7 Antistatiske stoffer 37-11

37.3 INNDELING AV PLASTMATERIALENE 37.3.1 Termoplaster 37-11 37.3.2 Herdeplaster 37-12

37-11

37.4 AGGREGATTILSTANDER 37-14 37.4.1 Glasstilstand og overgang til gummitilstand 37-14 37.4.2 Gummitilstand og overgang til væsketilstand 37-14 37.5 MATERIALEGENSKAPER 37-16 37.5.1 Generelt 37-16 37.5.2 Strekkfasthet 37-16 37.5.3 Deformasjon 37-16 37.5.4 Utmatning 37-18 37.5.5 Kjemiske egenskaper 37-18 37.5.6 Brannegenskaper 37-18 37.5.7 Bestandighet 37-19 37.5.7.1 Volumbestandighet 37-19 37.5.7.2 Aldringsfremkallende faktorer 37.5.7.2.1 Generelt 37-19 37.5.7.2.2 Temperatur 37-20 37.5.7.2.3 UV-stråling 37-20 37.5.7.2.4 Oksygen 37-21 37.5.7.2.5 Ozon 37-21 37.5.7.2.6 Fukt 37-22 37.5.7.2.7 Kjemikalier 37-22

37.5.8 Forskjellige egenskaper

37-19

37-23

37-5

VIII

37.6 ANVENDELSE AV POLYMERE MATERIALER 37.6.1 Generelt 37-23 37.6.2 Termoplaster 37-24 37.6.2.1 37.6.2.2 37.6.2.3 37.6.2.4 37.6.2.5 37.6.2.6 37.6.2.7

Celluloseplast 37-24 Styrenplast 37-24 Akrylplast 37-24 Polyalkener 37-25 Polyamid 37-25 Vinylplast 37-26 Polykarbonat 37-26

37.6.3 Herdeplaster 37.6.3.1 37.6.3.2 37.6.3.3 37.6.3.4 37.6.3.5

37-23

37-27

Fenolplast 37-27 Aminoplast 37-27 Umettet polyester Epoksy 37-28 Polyuretan 37-29

37-28

37.6.4 Identifisering av polymere materialer37.6.5 Produktoversikt 37-29 LITTERATUR

37-30

37-29

Kap.

Kap. 30

INNLEDNING

30.1

ØKONOMISKE ASPEKTER

30-1

Uansett om man regner på basis av vekt, volum eller pen­ ger representerer bygg- og anleggsbransjen den største for­

brukergruppe av materialer i vårt samfunn.

Det finnes ingen

fullstendig oversikt over bygningsmaterialenes økonomiske betydning.

At materialomkostningene utgjør en stor del av de

totale investeringer i bygg- og anleggsbransjen er helt klart. Det er derfor av stor betydning for bransjens fagfolk å ha

kjennskap til hvilke materialer som til enhver tid finnes, hvilke egenskaper de har, hvorledes de fungerer og virker sam­ men, hvilke estetiske inntrykk de gir, og hva de koster i inn­ kjøp, håndtering og vedlikehold.

De totale investeringer i bygg- og anleggssektoren repre­

senterer hvert år betydelige beløp, og selv små prosentvise

besparelser i form av bedre valg og utnyttelse av materialene vil medføre betydelige ressursmessige og samfunnsøkonomiske

besparelser.

Også vedlikeholdet av bygg og anlegg har i de senere år

økt i omfang, og man regner nå med at vedlikeholdsomkostningene snart har kommet opp i ca 25% av de totale investeringer.

Det

er en kjent sak at Norge i internasjonal sammenheng ligger høyt

på brannstatistikken.

Hva som kanskje ikke er fullt så kjent,

er at de årlige skader i Norge både pga fukt og korrosjon hver

for seg har et vesentlig større økonomisk omfang enn skadene pga brann.

30.2

VALG OG BRUK AV MATERIALER I 1960 ble det for bygg- og anleggsbransjen produsert ca

16 000 ulike materialprodukter.

Hvert år er det mange pro­

dukter som forsvinner, men det er enda flere som kommer til.

Således regnes det med at det årlig kommer 5-600 nye mate­ rialprodukter på markedet.

Kap. 30

2

På bakgrunn av dette store materialspektrum er det klart

at materialvalget kan være meget vanskelig.

Først må vi be­

stemme hvilken materialgruppe som skal brukes.

stål, betong, tre, plast osv.

Dette kan være

Innen hver av disse material-

gruppene står valget mellom flere materialtyper som igjen inne

holder flere materialkvaliteter.

Et godt materialteknisk

grunnlag vil forenkle selve materialvalget.

Det blir også enk

lere å kunne vurdere forskjellige komersielle produkter mot

hverandre. La oss ta plastmaterialer som et eksempel som både omfat­ ter et stort spektrum av materialprodukter og hvor utviklingen skjer meget hurtig.

Her bør vi f.eks. vite at alle plastmate­

rialer kan klassifiseres i to hovedgrupper (termoplaster og herdeplaster), og allerede dette bør kunne si oss en god del

om de mest sentrale og viktigste bruksegenskaper.

Ett skritt

videre ville være om vi også kjente til at de tre plasttypene

polyetylen, polyvinylklorid og polysteren som alle er termo­

plaster, tilsammen utgjør ca 2/3 av samtlige plastmaterialer på markedet. Når vi står foran et materialvalg, er det alltid viktig

å analysere materialegenskapene for den aktuelle brukssitua­ sjon.

Dette kan omfatte:

- generelle funksjonsegenskaper - bestandighet eller motstand mot nedbrytning - økonomiske aspekter både på kort og lang sikt Den aktuelle brukssituasjon bør også grundig analyseres.

I enkelte tilfelle må materialegenskapene undersøkes spesielt. Dette kan omfatte korttidsegenskaper, men det kan være like viktig å skaffe seg kjennskap til langsiktige endringer av

aktuelle bruksegenskaper.

I den økonomiske vurdering må både

investerings- og vedlikeholdsomkostningene være med.

Den aktu

elle funksjonsperiode bør også vurderes.

Svært ofte vil en aktuell brukssituasjon kreve en mer avansert kombinasjon av materialegenskaper enn det som ofte

er tilgjengelig.

Dette kan imøtekommes ved bruk av såkalte

Kap.

30-3

komposittmaterialer som kombinerer ønskede egenskaper fra flere forskjellige enkeltmaterialer.

Som regel blir imidlertid slike

problemer løst rent konstruktivt ved å kombinere flere forskjel­ lige materialer.

Således vil f.eks. en varmeisolert yttervegg

som regel bestå av forskjellige materialtyper med høyst forskjel­ lige egenskaper så som fasthet, isolasjonsevne, tetthet og be­

standighet. Det er alltid viktig å være klar

over konsekvensen av et

materialvalg, men det er også viktig å forsikre seg om at de spesifiserte materialkrav følges opp inntil materialet har fått

sin endelige plassering i den aktuelle konstruksjon.

Spesielt

er dette viktig for et material så som betong som i sin helhet

blir spesifisert, produsert og håndtert av bransjens egne fag­ folk.

30.3

MATERIALEGENSKAPER OG FUNKSJONSKRAV

Materialene karakteriseres ved sine generelle egenskaper som kan inndeles på grunnlag av de praktiske behov som skal dekkes.

For bærende konstruksjonselementer er vi først og fremst interessert i materialenes fasthets- og deformasjonsegenskaper.

Disse egenskapene beskriver materialenes evne til å ta opp kref­ ter og til å la seg deformere.

For mange brukssituasjoner er vi også interessert i mate­ rialenes evne til å transportere varme og fuktighet.

Svært ofte er materialenes bestandighet av stor betydning.

Dette kan omfatte materialenes evne til å stå imot en ren fysi­ kalsk nedbrytning, f.eks. pga frost og volumendringer r eller

det kan omfatte kjemisk,elektrokjemisk (korrosjon) eller bio­

logisk (råte) nedbrytning.

Materialenes brannegenskaper er

også ofte av sentral betydning. Når materialenes egenskaper skal beskrives, må dette ba­ seres på materialprøving, og for dette formål finnes det et stort utvalg av standardiserte prøvingsmetoder.

Slike prøv-

ingsmetoder er nødvendig for å kunne sammenlikne resultater,

Kap.

30-4

men vi skal være klar over at mange eksisterende prøvings-

metoder både er svært mangelfulle og preget av tilfeldig

valgte prøvingsbetingelser. Svært ofte vil forskjellig geometrisk form og størrelse på et prøvestykke kunne gi høyst forskjellige prøvingsresultater.

Forskjellige belastningshastigheter og forskjellige

temperatur- og fuktighetsforhold vil også sterkt kunne påvirke prøvingsresultatene.

Det er derfor viktig å ha et tilstrekkelig godt materialteknisk grunnlag både for å kunne vurdere aktuelle prøvings-

metoder og for å kunne anvende de oppnådde prøvingsresultater på en mest mulig riktig måte. I løpet av de senere år har det blitt stilt økende krav

til dokumentasjon og kvalitetskontroll av de materialer som

skal brukes.

Utviklingen viser også at det i stadig større

grad blir stilt funksjonskrav til den enkelte konstruksjons­

del elller ferdige konstruksjon.

Slike funksjonskrav kan f.

eks. omfatte både fasthetsegenskaper, tetthet, isolasjonsevne

og bestandighet.

Bedre materialteknisk innsikt og kompetanse

er en vesentlig forutsetning for en slik utvikling.

En forut­

setning er også at det må legges større vekt på utførelse og produksjonskontroll samt dokumentasjon av de oppnådde resul­ tater i det ferdige byggverk.

Tradisjonelt har det materialtekniske grunnlaget for bygningsingeniører vært svært empirisk og mangelfullt.

En

forutsetning for å kunne følge med i den raske utvikling som foregår er å ha et tilstrekkelig godt teoretisk grunnlag.

I

dette første og generelle introduksjonskurset i bygningsmateriallære er det derfor lagt størst vekt på å gi en teoretisk innføring i de mest sentrale materialegenskaper.

Dernest

blir de viktigste materialgruppene kort omtalt hver for seg.

Kap.

Kap. 31

PORØSITET

31.1

GENERELT

31

OG

1

DENSITET

Basert på porøsitet kan bygningsmaterialer f.eks. inndeles i følgende grupper:

a)

Porøse materialer (f.eks. betong, tegl)

b)

Kompakte materialer (f.eks. de fleste metaller, plast)

Rent definisjonsmessig kan det være et problem å forklare hva som er en pore.

Vanskeligheten oppstår først og fremst

når det f.eks. gjelder å definere en nedre størrelsesgrense for en pore.

Er f.eks. en dislokasjon i et metall eller en

vakans i et ellers perfekt krystallgitter en pore (fig.31.1)? Vi vet at dislokasjoner og vakanser merkbart letter diffusjonen

av f.eks. karbonatorner i et karbonstål.

Fig. 31.1 Representerer en vakans i et krystallgitter en pore?

I enkelte polymerer finner man ofte uregelmessige partier imellom de mere systematisk ordnede makromolekyler, og dette

kan øke permeabiliteten og redusere densiteten.

Kan man derfor

si at slike uordnede strukturpartier representerer porer (fig. 31.2)?

Kap. 31-2

Fig. 31.2

Representerer uregelmessige partier i en polymer porer?

Et annet definisjonsproblem oppstår i forbindelse med

mikrosprekker f.eks. i metaller (fig.31.3).

Det er påvist

at disse sprekkene, som nesten alltid forekommer mellom korn-

grenser eller gjennom krystallene, nedsetter metallenes strekkfasthet, tøyningsevne og langtidsfasthet.

Fig. 31.3 Er en mikrosprekk i et kompakt

material, f.eks. metall, en

pore?

Strengt tatt kan således de aller fleste materialer sies å være porøse, til og med materialer som vi normalt betrakter

som kompakte.

En plastfolie eller plastmatte er således til

en viss grad porøs, hvilket bl.a. kommer fram ved at gasser så som f.eks. vanndamp slipper gjennom.

Hos metaller fore­

kommer en viss porøsitet i form av mikrosprekker mellom krys­ tallene eller som porer i f.eks. utettet stål eller støpejern.

Det er imidlertid naturlig å beholde betegnelsen "porøs" for materialer hvor porøsiteten er stor nok til å ha en avgjør­ ende betydning både for materialets mekaniske og fysikalske

egenskaper.

Kap. 31-3

31.2

PORØSITETENS STØRRELSE OG BETYDNING

Avhengig av porestørrelsen anvender man ofte forskjellige benevnelser på porene.

En inndelingsmåte som kan passe for

bygningsmaterialer er å sette grensen mellom de såkalte makro-

og mikroporer ved ca. 0,1 pm.

Dette passer fordi det såkalte

"hygroskopiske" området for porestørrelser omfatter porer opp til denne porestørrelse.

Ved denne porestørrelse skjer dess­

uten ved fukttransport en overgang fra et mer rendyrket diffu-

sjonsforløp til en mer rendyrket væskestrøm.

En kapillar er en pore innenfor det kapillære området, dvs. mindre enn 0,1 mm.

Betegnelsen brukes fortrinnsvis for

å angi at poren har en betydelig lengde.

Når flere kapillarer

og andre porer står i forbindelse med hverandre, har man et

kapillarsystem. Porøsiteten som angir forholdet mellom porenes totale

volum og materialets totale volum, blir gjerne uttrykt i % av materialets totale volum.

Porøsiteten varierer sterkt, ikke

bare mellom materialer fra ulike materialgrupper, men også

mellom forskjellige materialvarianter fra en og samme gruppe. Forskjellen kommer i de fleste tilfeller av tilvirkningsmetoden for materialet, f.eks. hos betong og kjeramiske materialer. I tabell 31.1 er det gitt noen eksempler på porøsitetens

omtrentlige størrelse hos noen vanlige porøse bygningsmateri­ aler.

For enkelte materialer bør man være klar over at porøsi­

teten forandres med tiden, spesielt for sementbundne materialer

på grunn av fortsatt hydratasjon.

Forandringen går i retning

av minkende porøsitet. Flere av de viktigste materialegenskapene har nær sammen­

heng med porøsitetsforholdene.

Det er imidlertid ikke bare

den totale porøsiteten som er utslagsgivende for materialets egenskaper, men kanskje i ennå større grad den måten poresystemet er utformet på, i første rekke poreform og porestørrelses-

fordeling.

Det utgjør f.eks. stor forskjell om et material har

et sammenhengende poresystem eller om porene utgjøres av små

luftblærer uten forbindelse med hverandre.

4

Kap. 31

Tabell 31.1 Omtrentlige verdier på densitet og porøsitet for ulike materialer.

Materiale

Densitet (kg/m3)

Romdensitet

Porøsitet

(kg/m3)

(%)

Granitt

2700

2700

1

Diabas

3000

3000

0

Marmor

2700

2700

1

Kalkstein

2700

2600

4

Sandstein hard

2700

2700

1

Sandstein løs

2600

2100-2400

8-17

Tegl

2650

1400

47

2650

1600

40

2650

1800

32

K 100/850 (1:4)

2650

1850

30

KC 50/50/650 (2:1:12)

2650

2000

25

C 100/425 (1:4)

2650

2100

20

Kalksandstein

2700

1700

37

2700

2000

26

2700

400

85

2700

500

80

2700

650

75

Mørtel

Autoklavherdet gassbetong

Granittbetong

2700

2200-2300

15-18

Sement

3100

—

—

Tre; furu, gran

1600

500

70

bøk, eik Celleplast

1600

700-900

55-45

1000

20

98

1000

300

70

Kap. 31-5

Blant slike egenskaper som direkte påvirkes av porøsitet

og øvrige porekarakteristikker kan nevnes fasthet, bestandig­ het, permeabilitet (diffusjon av gasser), vannoppsugningsevne, hygroskopisitet (evnen til å ta opp fuktighet fra luften) og

varmeledningsevne. Porøsitetens størrelse påvirker framfor alt styrkeegen­ skapene.

Jo større porøsiteten er, desto mindre er fastheten.

Økt porøsitet gir imidlertid økt varmeisoleringsevne. Poreformen kan karakteriseres på forskjellige måter der

det viktigste bør være å angi hvordan porene står i forbind­

else med omgivelsene.

Man skiller således mellom lukkede

porer og åpne porer, og når det gjelder de siste også mellom gjennomgående og ikke-gjennomgående porer (fig.31.8). I porøse bygningsmaterialer forekommer sjelden helt luk­

kede porer.

Også de porene som man i praksis betegner som

lukkede, har som regel en viss, begrenset forbindelse med

omgivelsene.

I praksis kan derfor en viss, langsom fuktav-

gang skje fra slike porer.

Hvis man spesielt vil framheve at

det i et material ikke kan skje noe.gassutbytte mellom porer og omgivelsene, bør man si at porene er helt lukkede.

Lukkede porer er gunstig for varmeisolering, samt at de motvirker fuktoppsugning .

Uttørkingen går imidlertid sent i

materialer med lukkede porer hvis de da i det hele tatt tørker

ut.

Motstandsevnen mot kjemiske angrep blir bedre ved lukkede

porer ettersom gasser og væsker hindres fra å trenge inn i

materialet. Gjennomgående porer kan gi stor permeabilitet og dermed

økt risiko for kjemiske angrep (f.eks. karbonatisering av

betong pga. inntrengning av CO2 fra luften). Størrelsesfordelingen av porer er kanskje det som har

størst betydning for porøse materialers egenskaper. flere måter å karakterisere porefordelingen på.

Det er

Ofte angir

man fordelingen på følgende to måter:

1.

Angivelse av porefrekvensen, dvs. den volumandel som fal­ ler i hvert intervall mellom to poregrenser.

2.

Angivelse av kumulativ porefordeling, dvs. summen av

volumandelene av de porer som har størrelser opp til en viss verdi.

Kap. 31-6

En angivelse av porefordelinger i tabellform kan f.eks. se slik ut:

Tabell 31.2 Eksempel på en porefordeling.

Poreradius

Frekvens

(pm)

(%)

Kumulativ porefordeling (%)

4

1

4 14

2

18

33 4

51 25

8

76 16

16

92

8 32

100

Tilsvarende gjengivelse i diagramform er vist i fig. 31.4 der logaritmisk skala brukes for poreradien.

|

Frekvens (%)

30 20

10

Poreradius

w

0 Q5

Fig. 31.4

16

32 pm

Eksempel på porefordeling uttrykt som henholdsvis frekvenskurve og kumulativ kurve.

Kap. 31 - 7

Selv om sementpasta og tegl kan ha samme porøsitet, vil

det være en betydelig forskjell både i mekaniske og fysikalske egenskaper.

Dette kan for en stor del forklares ut fra for­

skjellen i porefordeling (fig. 31.5).

Fig. 31.5

Porefordeling for en sementpasta og tegl med

omtrent samme porøsitet.

Den store andelen av svært små porer (< 500 Å) i betong gjør at materialet blir svært hygroskopisk.

De siste års

betongforskning har vist at mange fundamentale egenskaper hos

betong i stor utstrekning blir bestemt nettopp av hygroskopisk bundet vann i materialet. En annen porekarakteristikk som iblant benyttes er den

spesifikke overflate.

Den spesifikke overflate av et pore-

system er summen av alle porenes overflater dividert på mate­ rialets masse.

31.3

DEFINISJONER OG FORBINDELSER

For ulike materialer av en og samme kompakte grunnsub­ stans

men med forskjellig porøsitet, kan man få en viss idé

om porøsitetens størrelse ved å bestemme materialets vekt pr. volumenhet som kalles romdensiteten.

er, jo mindre er porøsiteten.

Jo større romdensiteten

Ved å angi romdensiteten for

et materiale fra en viss materialgruppe, f.eks. tegl, gir man derfor indirekte visse muligheter for å bedømme det aktuelle materialets egenskaper, spesielt ettersom kompaktdensiteten

(se neste side) er relativt konstant for mange typer av

Kap. 31-8

bygningsmaterialer, se tabell 31.1.

Romdensiteten er derfor

en mye brukt materialkarakteristikk i f.eks. katalogblad,

normer osv. Nedenfor er det utledet en sammenheng mellom porøsitet og

romdensitet for et porøst materiale, jfr. fig.31.6 som er et såkalt blokkdiagram for et porøst materiale. Med porer menes vanligvis de porer som er tomme etter uttørking ved 105°C. Det kan fremdeles finnes en viss mengde vann, men dette vannet

regnes med i det kompakte materialet.

Fig. 31.6

Blokkdiagram for et porøst materiale.

Definisjoner (NS 1020 Del 3)

1.

Romdensitet = masse/volum inkl, alle porer Pr =

2.

(kg/m3)

(31.1)

Densitet (kompaktdensitet) = masse/kompaktvolum M P = v _ v— P

(kg/m3)

(31.2)

hvor Vp er det totale porevolum.

Av og til brukes betegnelsen "densitet" istedenfor "rom­

densitet" .

Det siste bør imidlertid anvendes hvis det kan

oppstå tvil om hva som menes.

I stedet for "densitet" kan

Kap. 31-9

man også bruke betegnelsen "kompaktdensitet" for å unngå mis­

forståelser .

3.

Porøsitet V P = ^ • 100

Porevolumet V

V

P

P

(31.3)

(%)

kan vi få fra likn. (31.2) :

(31.4)

= V - P

Innsetting av (31.1) og (31.4) i (31.3) gir: pr P = (1 _ _£)

• 100

(31.5)

(%)

Av likn. (31.5) framgår altså at porøsiteten for et gitt mate­

riale kan beregnes hvis pr og p er kjente størrelser. Romdensiteten pr er enkel å bestemme, mens størrelsen på kompaktdensiteten p er vanskeligere å finne.

I tabell 31.1 angis verdier

på densiteten for en del

porøse materialer.

31.4

METODER FOR Å BESTEMME PORØSITETSFORHOLD OG DENSITET Densiteten (kompaktdensiteten) må fra et fysikalsk syns­

punkt betraktes som massevolumforholdet for materialets minste bestanddeler, nemlig de krystaller (eller molekyler) som det

er bygget opp av. Denne grenseverdien kan strengt tatt bare bestemmes hvis

krystallenes dimensjoner og antallet molekyler som krystallene er oppbygd av, likesom vektandelene av forskjellige krystaller

i materialet er kjent.

De vanligste bygningsmaterialer er

imidlertid så komplekst bygget opp at kompaktdensiteten må

bestemmes på annen måte.

Normalt blir materialet nedknust

slik at porene "forsvinner".

Deretter bestemmes kompaktdensi­

teten for det nedknuste materialet.

Jo finere porer et mate­

rial inneholder, desto finere må materialet knuses ned for at ikke avvikelsen fra den riktige verdien skal bli for stor.

Kap.

31

10

Bestemmelsen skjer oftest ved bruk av såkalt pyknometer (fig.31.7), dvs. en glassflaske med et fint stigerør.

Pulve­

ret veies i uttørket tilstand og helles deretter i pyknometeret.

Fig. 31.7

Pyknometer.

Volumet bestemmes ved å måle hvor stort volum pulveret opptar

i pyknometeret ved å fylle dette med en væske, f.eks. sprit. Pyknometeret veies dels med pulver og væske, dels bare med væske.

Dermed kan man beregne hvor stor mengde væske pulveret

har fortrengt, og med kjennskap til væskens densitet kan man beregne pulverets volum.

Denne metoden brukes bl.a. ved

bestemmelse av kompaktdensiteten både for sement og tilslags-

materialer til betong.

Romdensitet For å bestemme romdensiteten må man kjenne både masse

og volum.

Massen bestemmes gjennom veining, og vekten bruker

alltid å være av uttørket prøve hvis ikke noe annet er sagt.

Volumet kan bestemmes ved oppmåling av dimensjoner hvis prøven har en enkel geometrisk form.

I andre tilfeller bestemmes

volumet ved bruk av Archimedes prinsipp, dvs. ved å veie prø­ ven i luft og nedsenket i vann.

Det må da passes på at porene

er helt fylte med vann på forhånd eller at prøvens ytterflater er forseglet slik at vannet ikke trekker inn under veiningen.

Differansen mellom begge målingene dividert med vannets densi­ tet utgjør prøvens volum inklusive porer.

Kap. 31 - 11

Densiteten for en uttørket prøve bruker man av og til å kalle tørrdensitet.

En del materialer, så som f.eks. tre, sveller og krymper

betydelig ved forandringer i fuktinnholdet.

For slike materi­

aler må man derfor definere ved hvilket fuktinnhold volumet

skal måles. For tre bruker man således å definere tørrdensiteten på

to ulike måter, enten som:

Pr

vekt i tørr tilstand volum i tørr tilstand

eller vanligere som:

Pru

_ vekt i tørr tilstand____ volum ved u% fuktinnhold

der u ofte er 12%

(u er definert i kap.15 Fuktighet i materialer).

At man i praksis foretrekker å angi tørrdensiteten for

tre beregnet for volumet ved f.eks. 12% fuktinnhold, beror ganske enkelt på at et trestykke ved denne fuktighetsprosent kan holde på en nøyaktig oppmålt geometrisk form, mens det

ved uttørkning til en fullstendig tørr tilstand gjennomgår så store vridninger eller andre deformasjoner at det kan være

vanskelig å måle volumet med stor nøyaktighet (veining i vann

og luft kan vanskelig anvendes) . Når det gjelder tre, anvender man også benevningen virke­ lig densitet, hvilket betyr det virkelige masse-volumforholdet

ved en viss gitt fuktprosent, dvs. vekten inklusive vannet i materialet.

For partikkelmasserslik som sand, sement og kalk, er

pakningsgraden av vesentlig betydning for densiteten.

Hvis

man f.eks. forsiktig fyller et målekar med tørr sand uten

komprimering, kan sandens densitet f.eks. bli 1520 kg/m3. Hvis man banker på karets vegger eller rister og vibrerer

karet, kan man fylle på mer sand og densiteten kan til slutt komme opp i f.eks. 1710 kg/m3.

For å få reproduserbare resul­

tater ved bestemmelse av densiteten for partikkelmasser, må

derfor pakningsgraden nøyaktig defineres.

En oppgave over

Kap. 31 - 12

densiteten hos slike materialer er temmelig intetsigende hvis man ikke samtidig angir prøvingsmetoden eller i det minste

karakteriserer pakningsgraden med f.eks. "løst ifylt", "hardt pakket" osv. Fuktinnholdet hos partikkelmasser er også av stor betyd­

ning for det volum en viss vektmengde materiale inntar ved en viss pakningsgrad.

Også for partikkelmasser kan man derfor

snakke om virkelig densitet ved en viss fuktprosent. Pakningsgraden eller komprimeringsgraden er også av betyd­

ning for en del myke eller halvstive materialer så som f.eks. mineralull.

For å bestemme tykkelsen hos en matte av mineral­

ull, bruker man å legge på en plate med et trykk på 10 kg/m2 og så måle avstanden mellom platen og underlaget.

I en del materialer kan man snakke om to ulike densiteter,

nemlig bruttodensitet og nettodensitet.

Dette gjelder f.eks. for en hulstein av tegl der selve teglmassens densitet blir kalt nettodensitet og hele steinens densitet, altså inklusiv hullene, blir kalt bruttodensitet.

Den første densiteten kan finnes ved veining i luft og vann, og den siste ved oppmåling. Porøsiteten kan beregnes fra likn. (31.5) hvis materialets kompaktdensitet (p) og romdensitet (pr) er kjent.

Det finnes

imidlertid mulighet for å bestemme porøsiteten uten at kompakt­

densiteten er kjent.

Man kan nemlig fylle poresystemet med

en væske med kjent densitet, f.eks. vann.

Vektøkningen fra

tørr tilstand utgjør da et mål for porevolumet.

Det er ikke

likegyldig på hvilken måte man fyller poresystemet.

Fig. 31.8

gir en forklaring på hvorfor det er slik. Porene kan deles opp på følgende måte: , 1.

o __ a) gjennomgående Åpne porer 150 Å brukes normalt et såkalt

kvikksølvporosimeter.

Ved suksessivt å øke trykket (opp til

1000 atm), blir stadig finere porer fylt med kvikksølv.

For

finere porer med diameter > 20 Å, anvendes adsorpsjonsmålinger.

Ved å bestemme hvor mye materialet adsorberer av f.eks. nitro­ gen eller vanndamp ved forskjellig trykk hos gassen, kan pore­

fordelingen bestemmes.

Jo finere porene er, jo lavere trykk

trengs for at adsorpsjon skal skje.

Metoder for bestemmelse

av porefordeling og spesifikk overflate finnes beskrevet i /4/, /6/ og /8/.

Kap. 31 - 14

LITTERATUR 1.

Blaine, R.L.; Hunt, C.M.; Tornes, L.A.: "Use of Internal-

Surface-Area Measurements in Research on Freezing and

Thawing of Materials", Highway Res. Board Proc. 32, 1953. 2.

Bygg, Handbok for hus-, våg- och vattenbyggnad: Huvuddel

2, "Materiallåra" , Stockholm, 1968. 3.

Copeland, L.E.; Hayes, J.C.: "Porosity of Hardened Port­ land Cement Pastes", Journal of the Am. Concr. Inst.,

No. 6, 1956. 4.

May, J.O.; Butterworth, B.: "Studies of Pore Size Distribution", Science of Ceramics, No. 1, 1962.

-5.

Scheidegger, A.E.: "The Physics of Flow through Porous Media", McMillan, New York, 1957.

6.

Schwiete, H.E.; Ludwig, U.: "Uber die Bestimmung der

offenen Porositåt im Zementstein", Tonindustrie Zeitung, Nr. 12, 1966.

7.

Verbeck, G.: "Pore Structure", PCA Res. and Development Lab.'s Research Dept., Bull. 197, 1966.

8.

Sneck, T.; Kinnunen, L.; Oinonen, H.; "Measurements of Pore-Size Distribution of Porous Materials", Interim

Report, State Int. for Techn. Res., Otaniemi, 1966. 9.

Hillerborg, A. og flere: "Allmån kurs i Byggnadsmaterial-

låra", Tekniska Hogskolan i Lund, 1975.

10.

Fagerlund, G.: "Samband mellan porositet och materials mekaniska egenskaper", Tekniska Hogskolan i Lund, Rapport 26, 1972.

Kap.

32-1

Kap. 32 VARMETRANSPORT 32.1

TRANSPORTMEKANISMER

Varmetransport oppstår ved likevektsinnstillinger av varmeenergi, og retningen er derfor alltid fra høyere mot lavere temperatur siden temperatur er et mål for energiinn­ hold.

cal.

Varmeenergi måles i Joule, !J=lWs=lNm= 0,239 Temperaturen finnes vanligvis ved å måle sekundære

effekter som volumutvidelse, termospenning, elektrisk led­ ningsevne, utstråling m.m.

Med varmeenergi menes til vanlig molekylers og atomers bevegelsesenergi i væsker og gasser og svingningsenergi i

faste stoffers gitter.

En økning av temperaturen i noen del

av et medium vil alltid medføre en økning både av intensitet

og bevegelsesfrekvens i denne del av mediet.

En utjevning av

temperaturen i mediet som medfører en transport av varme fra en høyere til en lavere temperatur, skjer i form av varmeled­

ning gjennom direkte overføring av bevegelsesenergi mellom

molekyler, atomer og frie elektroner. Varmeledning i denne form er den dominerende mekanismen for varmetransport i faste materialer.

En slik varmeledning

forekommer selv i væsker og gasser, men her forekommer i til­ legg en varmetransport ved at molekylene forflytter seg slik

at de derved kan absorbere varme på et sted og avgi den på et annet sted.

Denne type varmetransport kalles konveksjon.

For

bygningsmaterialer er spesielt konveksjon i luft av stor betyd­ ning. I porøse bygningsmaterialer finnes mange luftfylte porer. I fig.32.1 er vist en slik pore med ulike temperaturer på den

høyre og venstre siden.

På den varme siden oppvarmes luften

og stiger opp, mens den på den kalde siden avkjøles og synker. På denne måten oppstår en bevegelse i luften som medfører en

varmetransport, dvs. konveksjon-

Da drivkraften for luftens

bevegelse i dette tilfelle bare utgjøres av temperaturfor­

skjellen, kalles fenomenet for egenkonveksjon.

For påtvunget

konveksjon som er det motsatte fenomen, skyldes luftbevegelsen

en ytre trykkforskjell, f.eks. ved at det blåser på en vegg

Kap.

Fig. 32.1

32

2

Varmetransport ved egenkonveksjon i en luftfylt

pore.

med et luftgjennomslippelig varmeisoleringsmaterial . ’ Proble­

mer i forbindelse med påtvunget konveksjon behandles i det bygningstekniske og ikke i det materialtekniske fagområde.

Egenkonveksjon kan nedsette varmeisoleringsevnen hos

porøse materialer, spesielt hvis porene er store.

I gulv-

isolasjon hvor den varme siden vender opp, blir den varme, lette luften i porene liggende øverst, og derfor vil det da

ikke oppstå noen egenkonveksjon.

I en horisontal takisola-

sjon hvor den varme siden vender ned, kan konveksjon oppstå,

men strømningsforholcTene blir her mere uregelmessige og kompliserte. I porer kan varmetransport

også forekomme i form av

stråling fra den varmere til den kaldere poreveggen (fig.32.2).

Varmt

Fig.

Kaldt

32.2 Varmetransport ved stråling i en luftfylt pore.

Mengden per tidsenhet av overført strålingsvarme er del­ vis proporsjonal med temperaturforskjellen mellom poreveggene

og delvis med T3, hvor T er den absolutte temperatur.

Ved

Kap. 32-3

samme temperaturforskjell blir f.eks. forholdet mellom over­ ført varmemengde ved +20°C og ved -30°C:

(273 + 20)3/(273 - 30)3 = 1,75

Strålingsandelen ved en

varmetransport er som det framgår

sterkt temperaturavhengig.

I visse høyporøse materialer kan stråling trenge igjennom

de tynne poreveggene og derved øke andelen av overført strål­ ingsvarme utover det som foregår fra porevegg til porevegg.

Varmeovergang kalles i praksis varmeoverføring på grense­ flaten mellom to ulike medier.

Det vanlige er grenseflaten

mellom fast stoff og væske eller gass.

Slik varmetransport

er viktig i f.eks. varmekraftmaskiner, varme- og kjøletekn­ iske anlegg og i ytterveggkonstruksjoner .

Varmeovergang er

ikke en ekstra transportform, men en sammensatt prosess hvor alle de nevnte former for varmetransport kan delta.

For å belyse størrelsesorden av de ulike transportformer er forholdene i en luftspalte vist i fig.32.3.

Her er de

enkelte transportformer angitt som en funksjon av spaltetykkelsen. e

= 0,9.

For vanlige bygningsmaterialer er emisjonstallet

Emisjonstallet, med tallverdi mellom 0 og 1, er

først og fremst avhengig av legemets overflate, farge og overflatebeskaffenhet så som f.eks. blank eller ru.

Fig.

32.3 Oversikt over de forskjellige former for varme­ transport i en luftspalte.

Kap. 32-4

Av figuren framgår at for små hulrom med bredder opp til 3 - 4 mm er varmeledning den dominerende faktor.

Når begrens­

ningsflatene er av vanlig type, vil strålingen overta med det største bidraget fra 5 mm og oppover.

Strålingen kan imidler­

tid reduseres så den blir ubetydelig ved å redusere e, f.eks.

med en aluminiumsfolie hvor e = 0,05.

uavhengig av spaltetykkelsen.

Strålingsbidraget er

Som det framgår av figuren vil

bidraget fra ledning avta raskt med økende luftspalte.

Kon­

veks jonen kommer først inn i bildet ved ca. 1 cm spaltetykkelse, men i tilfelle e = 0,05, overtar den etterhvert som

viktigste enkeltfaktor.

Over en tykkelse på ca. 10 øm øker

konveksjonen mer enn varmeledningen avtar. For de fleste porøse bygningsmaterialer er porene så små at man som regel kan se bort fra stråling og konveksjon i

porene (^tot

M•

For meget porøse materialer så som visse

isolasjonsmaterialer, kommer imidlertid også konveksjonen og

strålingen inn i bildet. 32.2

VARMELEDNINGSEVNE Mens vi i materialteknikken er mer opptatt av varmetran­

sport innen ett og samme material eller materialsystem, tar man i bygningsteknikken for seg den totale varmetransport

gjennom en hel konstruksjonsdel som ofte er sammensatt av

flere forskjellige materialer, og hvor også varmeoverføringen

mellom material og luft spiller en viss rolle. Hvis man i en plate av et homogent material holder en konstant temperatur Tj på den ene siden og T2 på den andre, kommer det etter en viss tid å innstille seg en stasjonær

tilstand.

I denne tilstand vil temperaturen variere omtrent

rettlinjet gjennom platen (fig.32.4), og det vil strømme en konstant varmemengde per tidsenhet gjennom platen.

Hvis vi

betrakter en del av platen med areal A, kan vi forutsette at

den gjennomstrømmende varmemengde pr. tidsenhet (Q) er pro­

porsjonal med A og med temperaturgradienten gjennom platen (Ti - T2)/d:

T - T Q = Å«A-- 5---- d

(32.1)

Kap.

Fig. 32.4

32-5

Temperaturvariasjon i et homogent materiale ved stasjonær tilstand.

Faktoren Å (lambda) kalles materialets spesifikke varme-

ledningsevne.

Da enhetene i likn. (32.1) er :

Q = varmemengde (energi) per tidsenhet, W T = temperatur °C eller K A = areal, m2

d = tykkelse, m får Å benevnelsen W/mK eller W/m°C.

Tidligere uttrykte man

ofte Å i kcal/mh°C og omregningsfaktoren blir da:

1 kcal/mh°C = 1,163 W/mK

Varmeledningsevnen benyttes i praktiske beregninger for å uttrykke den totale varmetransporten gjennom materialet og

omfatter da alle former for varmeoverføring inklusive både

konveksjon og stråling.

Tilnærmet betraktes Å som en material-

konstant, men som vi skal se senere i kapitlet, er det flere faktorer som influerer på tallverdien av Å, og en av dem er temperaturen. Varmefluxen, som er varmestrøm pr. flateenhet, q = Q/A (W/m2), blir:

T - T q = * . '-Td 2

eller

AT q = Å —

(Fouriers lov)

(32.2)

Kap.

32-6

Temperaturfordeling ved ikke stasjonære forhold Likn.(32.2)

vil som regel være brukbar for mange prak­

tiske anvendelser, men i det generelle tilfelle vil tempera­ turen på et bestemt sted variere med tiden.

Vi må derfor

betrakte temperaturen som en funksjon av tid og sted.

Når

varme ledes gjennom et medium, vil det i hvert øyeblikk all­

tid være punkter i mediet som har samme temperatur, slik at man kan legge en isotermflate gjennom disse punkter.

Tegner

vi opp isotermflater for hver grad temperaturdifferans, får vi et bilde av temperaturfordelingen.

Varmestrømmen går da

loddrett på isotermflåtene og er proporsjonal med temperatur-

gradienten. For å gjøre det enklest mulig, tenker vi oss at isoterm-

flåtene er parallelle plan og velger x-aksen loddrett disse.

Temperaturgradienten blir da 3T/3x, siden temperaturen varierer med både tid og sted,

dT = -— at + il

Vi betrakter så variasjonene av temperaturen innenfor et lite

volumelement dv = dx • dA:

q(x,t)

q(x+dx,t) ------ --- Igp

dx

Da temperaturen varierer langs x-aksen, kan det strømme mer

varme inn i volumelementet enn det strømmer ut.

Dette vil

forårsake en oppvarming av mediet.

Inn i volumelementet strømmer i tiden dt en varmemengde:

dQinn = q(x,t) dA dt Ut av volumelementet strømmer i samme tidsrom en varmemengde:

dQ Ul

= q(x+dx,t) dA dt = (q(x,t) + ^2. dx) dA dt øX

Kap. 32-7

Varmetilførselen, som er forskjellen mellom dQ^nn og dQ

oX

blir:

dx dA dt

Dette kan uttrykkes ved Å idet likn.(32.2)

3q _ A 3x

kan omformes til:

32T 3 x2

Varmetilførselen blir da: 32T Å y-^2 dx dA dt

(32.3)

Lar vi nå spesifikk varme være c, densiteten p og temperatur­

økningen per tidsenhet 3T/3t, kan volumelementets varmetil-

førsel i tiden dt også uttrykkes slik: c P dx dA dt ot

(32.4)

(32.3) og (32.4) gir: 3T _ , 32T c P 3t A 3 x2

(32.5)

Man pleier her å innføre en ny konstant som kalles temperatur-

ledningsevnen:

a = Å/cp

(m2/s)

som agnir hvor hurtig et materiale oppvarmes eller avkjøles

ved en forandring av omgivelsens temperatur.

Eksempler på

temperaturledningsevnen for en del ulike materialer er angitt

i tabell 32.2. Differensiallikningen (32.5) er utledet under den forut­ setning at temperaturen bare varierer langs x-aksen, eller at

temperaturgradienten er rettet langs x-aksen.

Nøyaktig samme

betraktning kan gjøres også for y-retningen og for z-retningen.

Varmetilførselen (32.4)blir da summen av tilført varme i de tre akseretninger tilsammen.

Den generelle differensiallikning

Kap. 32-8

for tredimensjonal ikke stasjonær varmeledning får da formen: c p

9T . 92T a . 92T , . 92T = X -r-- 5- + Å -r-- — + Å -x-- 59t x 3 x2 y 9 y2 z 9 z2

ttt

(Fouriers ... . . likning)

c. (32.6)

(Laplaces likning)

(32.7)

Ved stasjonære forhold får likningen formen:

X

+ X

x 3 x2

-Pr + * 1^- = 0 y 9 y2 z 9 z2

Bortsett fra stasjonære endimensjonale forhold kan disse likningene løses eksakt bare i spesielle tilfelle.

Men det

finnes en rekke tilnærmede metoder som kan brukes, og ved hjelp av disse og datamaskiner er det mulig å løse ganske

kompliserte oppgaver med brukbar nøyaktighet.

32.3

VARMELEDNINGSEVNE FOR TOKOMPONENTMATERIALER

Eksakte beregninger av varmetransport i kompliserte konstruksjoner og særlig i porøse materialer kan være meget

vanskelige å gjennomføre. lede metoder.

I praksis benyttes derfor forenk­

Det teoretiske grunnlaget er imidlertid nød­

vendig både for å kunne vurdere konsekvensene av forenklingene og ikke minst for å kunne vite hvordan saken skal gripes an når mer nøyaktige metoder må brukes.

Når man skal forsøke å beregne varmeledningsevnen for sammensatte materialer benytter man som regel noen forenklede

modeller.

I et praktisk tilfelle velger man så den modell som.

best samsvarer med virkeligheten. Mange porøse materialer kan betraktes som bestående av

en kontinuerlig fase (matriks) med innesluttede sfæriske partikler av en annen fase.

Hvis nå den kontinuerlige fasen

har høyere varmeledningsevne enn partikkelfasen, vil varme­

transporten for det meste gå gjennom den kontinuerlige fasen, se fig.32.5.

Dette vil f.eks. være tilfellet i porøse mate­

rialer der partikkelfasen består av luft.

Kap. 32-9

Fig. 32.5 Varmetransport i et porøst material hvor Å matriks > > Å partikler.

Hvis derimot den kontinuerlige fasen leder varmen dårlig­ ere enn partikkelfasen, vil det meste av varmestrømmen foregå gjennom partiklene som vist i fig. 32.6,.

Fig. 32.6

Varmetransport i et porøst material hvor Å matriks
i (og

i

ved korrosjonspotensialet) - kfr. gjengitt fallgrube.

Vi skal gi noen kommentarer til praktisk anvendelse av katodisk beskyttelse: KB i

1.

Det er den eneste absolutt sikre metoden til å utelukke enhver form for korrosjon (der den kan anvendes).

praksis 2.

For overflater av noen størrelse vil den i praksis

alltid anvendes i kombinasjon med overflatebelegg på

konstruksjonen.

Overflatebelegget reduserer O2~diffu-

sjonen (og dermed katodestrømmen) til et økonomisk

akseptabelt nivå. 3.

For konstruksjoner med overflatebelegg kan katodisk

beskyttelse ikke anvendes om det er sjanser for hydrogenutvikling ved likevektspotensialet (som vist i fig.

b).

4.

Hydrogenutviklingen vil sprenge av belegget.

Etter en viss tid i drift vil stålkonstruksjoner med

katodisk beskyttelse ofte være passivert.

Alkaliser-

ingen skyldes at den eneste redoks prosessen som foregår i miljøet er dannelse av OH

5.

ved oksygenforbruket.

Ved katodisk beskyttelse må anodene plasseres så tett

at hele konstruksjonen har et driftspotensial som er

lavere enn likevektspotensialet.

Prinsippet og poten-

sialfordelingen langs en nedgravd rørledning er vist

i skissen:

63

rør

likevektspotensial

potensialfordeling

6.

Om en ved legging av en rørledning skal sikre seg

mulig installering av katodisk beskyttelse, må en sørge for god elektronledende forbindelse over skjø­

tene.

(I motsatt fall vil det i regelen være en fordel

ikke å ha elektronledende forbindelse.) 7.

Katodisk beskyttelse ved galvanisk effekt av offer-

anoder kan være aktuelt for små overflater.

Aktuelle

offeranodematerialer er sink og legeringer av aluminium

og magnesium.

Ved anvendelse må en undersøke om det

vil foregå en hydrogenutvikling på offeranoden ved driftspotensialet .

I så tilfelle vil egenkorrosjonen

av denne bli for høy - og levetiden for kort.

8.

Muligheten for korrosjon ved fremmedstrøm av andre

konstruksjoner i miljøet må taes med i betraktning

ved prosjektering av KB-anlegg. fremmed-

Vi skal som illustrasjon til det siste se på et nærmest

strøm

klassisk tilfelle av korrosjon ved lekkasjestrøm.

viser en sporvogn drevet med likestrøm.

Skissen

64

LR er likeretterstasjonen og pilene viser strømretning.

Skinneskjøtene hadde en betydelig elektrisk motstand, r. Den stiplede linjen markerer en nedgravd vannledning (med

elektronledende skjøter).

På denne ledningen skjedde det

gjentatte korrosjonsbrudd i området markert A.

Hvorfor?

Ved hver skinneskjøt ble en del av returstrømmen trykket gjennom jord (pga. r) .

En del av denne returstrømmen ble

fanget opp av den elektronledende vannledningen.

Ved

punktet A forlot denne returstrømmen vannledningen og gikk tilbake til likeretter stasjonen. Der en strøm forlater et metall og går over i jord, får en korrosjon: Fe++. , -» Fe++ . . J gitter oppløst Hvordan kunne dette vært unngått?

Det er flere muligheter: a)

eliminere r

b)

kortslutte røret til LR ved A via en leder.

65

AVSLUTTENDE BEMERKNING

En engelsk ekspertgruppe fant at det korrosjonsbeskyttende

tiltaket som kunne gi størst nasjonalt utbytte, var: - utbre kunnskap om korrosjon. Denne fremstillingen er et forsøk på å få leseren til "å

tenke korrosjon".

Ved hjelp av

visuelle modeller og polarisasjonsdiagram.

For å prioritere det har en gitt avkall på - det strengt riktige i begrepene når det kompliserer

- alt empirisk stoff. Leseren vil kanskje savne kvantitative data for polarisa-

sjonskurver.

Det har jeg også ofte gjort.

En må bruke

de kildene som fins. Det kan være empiriske data, Tafelkoeffisienter*, diffusjonskoeffisienter etc. I prinsippet kan polarisasjonskurver måles.

Purbaixdiagrammet gjelder for metaller og vann.

I praksis

kan en ha mye annet tilstede som kompliserer.

Det er farlig å være korrosjonsekspert, men det er lett å late som man er det.

Nesten ingen forstår det mukk av

det du sier.

En kjent arkitekt ble forsøkt hengt fordi han ikke visste at kopper under visse forhold ville være like uedelt som jern (kompleksdannere, lav [Cu++]). Selvfølgelig visste han det ikke!

4*

(Ikke de som ville henge ham, heller.)

Om f.eks. den anodiske oppløsningskurven ér en rett linje

i log strøm skala, kan den fastlegges ved 2 koeffisienter.

66

En håndverksbedrift ble forsøkt slått konkurs pga. korro-

sjonsskade. Kopperfalsene bedriften hadde laget, var ikke vanntette. I ingeniørhåndboken (rettet nå) sto det at korrekt utførte kopperfalser er vanntette.

Ingen kopper-

falser er vanntette i NH3-atmosfære (overflatespenning vann/Cu).

En viss type informasjon om korrosjon er det mye av: Selger A:

Vår maling X beskytter mot din korrosjon Y.

Selger B:

Du har korrosjon av typen Y2 som bare vår

måling X2 kan forhindre (10 ganger så dyr).

Kanskje skyldes korrosjonen at sinklegeringen har for lav hydrogenoverspenning (at du har for' høyt Cu-innhold). Da er det neppe noen maling i verden som kan hjelpe deg. (I så fall kunne produsenter av syrefaste stål pakke sammen.)

Et godt råd:

Bli som barn igjen, tegn banalt enkle model­

ler med elektrontrykk etc.

(Plukk systemet fra hverandre.)

Hvis et barn kunne se elektronstrømmene ved en korrosjonsprosess, ville han antakelig forstå hele sammenhengen på

et blunk. Ikke alle gjør det.

I en lærebok fra 70-tallet står det at:

"korrosjon får en som følge av at det oppstår katodiske og anodiske områder på en metalloverflate ..."

Denne "oppstandelses"-teorien har gjenoppstått i mange lære­

bøker i de siste 50 år.

Jeg har prøvd å finne kilden.

I

1830 var det en herre ved navn De la Rive som sa det samme. Er du enig? La dette være min unnskyldning for en heller ukonvensjonell

fremstilling.

Kap. 33 - 39

33.4

MILJØFAKTORER Som det vil framgå av det foregående er de enkelte miljø­

faktorer av stor betydning for materialenes bestandighet.

Høye

temperaturer vil øke hastigheten på kjemiske reaksjoner, og

lave temperaturer kan medføre fare for frostskader.

Flere ned-

brytningsprosesser er også avhengig av om vann er tilstede, og både luft og vann kan inneholde betydelige forurensninger som

kan forårsake eller påskynde en nedbrytningsprosess .

I røykut-

slipp kan det forekomme høye konsentrasjoner av korrosive gasser,

og i industrielt avløpsvann kan det være høye konsentrasjoner

av agressive bestanddeler.

Derfor er det viktig å ha god kjenn­

skap til miljøet for å kunne vurdere materialers bestandighet.

De viktigste miljøfaktorer kan grovt inndeles på følgende måte:

1. Atmosfære

2. Klima 3. Vann

4. Jordsmonn 5. Andre faktorer 33.4.1

Atmosfære

Mange materialers bestandighet er svært avhengig av luftens relative fuktighet (RF) og innholdet av ulike forurensninger.

Luftens fuktinnhold vil ofte være bestemmende for porøse materialers fuktinnhold.

Materialets fuktinnhold vil også kunne

påvirkes av kapillærsuging, kondensasjon osv.

Luftens fuktinn­

hold angis enten som vanninnhold (g/m3) eller som relativ fuktig­ het (%).

For vurdering av materialenes likevektstilstand er det

enklest å snakke om luftens relative fuktighet.

Fig.33.21 viser

typiske årsvariasjoner for relativ fuktighet på en del steder i

Norge.

Kap.

33 - 4 0

Fig. 33.21 Årsvariasjon av relativ luftfuktighet på en del

steder i Norge... Resultatene viser gjennomsnitt­ lige månedsverdier for perioden 1931 til 1960.

Luftforurensninger består som regel av faste partikler

i form av støv og forbrenningsrester eller gasser som kommer fra by- og industriområder.

Vi har også "naturlige" forurens­

ninger som f.eks. sjøsalt (NaCl) som føres inn over kystområder med pålandsvind.

Salt kan avsettes på metalloverflater og for­

årsake korrosjon i form av lokale galvaniske elementer.

I egen­

skap av sin hygroskopiske karakter kan saltavsetning også til­

føre metalloverflaten fuktighet. Den farligste gassformige luftforurensning er som regel

SO2 som oppstår ved forbrenning og som kan omdannes til svovel­ syre i forbindelse med fuktighet.

En slik luftforurensning vil

kunne gi sur nedbør (fig. 33.22 og 33.23).

Kap. 33 - 41

0.8

0.8

Fig. 33.22 Middelkonsentrasjoner av sulfat 1.0 1.5

1.0 .5 2.0

2.0C 3.0

3.0

(mg S0u/liter nedbørsvann) i ned­

børen i Sør-Norge basert på data for perioden 1972-75.

Kap. 33 - 42

Som det framgår av fig.33.24 er den sure nedbøren mest

konsentrert om de sterkest industrialiserte deler av Europa. Det har også blitt en sterk forsuring av nedbøren fra 1956 til 1966.

Sur nedbør vil bl.a. kunne gi sterke korrosjons-

angrep både på metaller (fig.33.25) og andre materialer.

Av

andre materialer er det først og fremst kalkstein, marmor og

sementbundne materialer som er mest utsatt.

777

pH>^0

*0-5,5

5,5 -5,0

*0-4,5

4,5-4,0

pH«4,0

Fig. 33.24 Europeiske årsmiddelverdier for pH i sur nedbør i 1956 og 1966.

Fig. 33.25 Korrosjon av stål og sink som funksjon av pH i sur nedbør. Resultatene er oppnådd etter en 4-ukers forsøksperiode i klimaskap. (Norsk Inst, for Luftforskning

Kap. 33 - 43

33.4.2

Klima

Klimapåkjenningene er først og fremst preget av nedbør,

temperatur-og vindforhold.

Nedbøren har betydning for mate­

rialets fukttilstand, og kombinasjon av vind og regn kan øke fuktpåkjenningen i betydelig grad.

Oppfukting med etterfølg­

ende lave temperaturer kan gi frostskader.

Faren for frost­

skader er avhengig både av kuldeperiodenes varighet og antall

fryse-tine-sykler.

For korrosjon av metaller kan det generelt

sies at kaldt og tørt klima gir lav korrosjonspåkjenning, mens

fuktig og varmt klima gir høy korrosjonspåkjenning. 33.4.3

Vann

Som regel medvirker vann i en- eller annen form ved de fleste nedbrytningsprosesser.

Vannets medvirkning kan grovt

inndeles i følgende grupper:

a) Som "medium" ved at det kan foregå kjemiske nedbrytningsreaksjoner mellom vannløste stoffer og materialet (kjemisk angrep).

b) Som "transportmiddel" for salter og sure oksyder som kan forårsake sprengende krefter i materialet (salt-

sprengning). c) Som ekspanderende porevann ved frostangrep.

d) Som medium og naturlig miljø for bakterier og mikro­

organismer som kan forårsake nedbrytning (biologisk nedbrytning). e) Som elektrolytt ved elektrokjemiske angrep på metaller (galvanisk korrosjon).

Vannets aggressivitet overfor materialer vil videre være avhengig av følgende:

a) Surhetsgrad (pH) b) Hårdhet

Kap. 33 - 44

c) Innhold av oppløste salter og gasser d) Temperatur e) Strømnings- og utskiftingshastighet Norsk høyfjellsvann er normalt svært rent og inneholder

små mengder oppløste salter.

Vannet er svakt surt pga. opp­

løst CO2-gass, og temperaturen er normalt så lav at vannet har

stor kalkløsende evne.

Dette vannet er derfor aggressivt over­

for kalkstein og sementbundne materialer, spesielt hvis disse

er porøse slik at vannet trenger lett inn.

I motsetning til

høyfjellsvann har vi i mange områder grunnvann som inneholder

store mengder løste salter.

Saltene kommer f.eks. fra berg­

arter, jordsmonn og fra nedtrengende overflatevann.

Sjøvannets innhold av aggressive bestanddeler er stort sett konstant i de store åpne havområder, men kan avvike en

god del for avgrensede havområder med sterk ferskvannstilførsel (tabell 33.3).

Tabell 33.3 Typiske verdier på forskjellige ionekonsentrasjoner

i sjøvann. Ionekonsentrasjon (mg/£) Ion SO2"

Atlanteren

Nordsjøen

Østersjøen

Merknader

2 810

2 220

540

Totalt salt-

1 410

1 110

260

innhold er for

480

430

50

Cl"

20 000

16 850

3 960

Nordsjøen ca

Na+

11 100

12 200

2 190

3,5% og for Øst-

400

550

70

Mg

2+

„ 2+ Ca

K+

Atlanteren og

ersjøen ca 0,7%

Pga. lokale tilførsler av vann fra elver og industrielle avløp, kan det også forekomme betydelige lokale variasjoner i

vannets sammensetning langs kysten.

Kap.

33.4.4

33-45

Jordsmonn

I forbindelse med grunnundersøkelser kan det ofte være

nødvendig å ta prøver av jordsmonnets aggressivitet.

Grunn­

vannets pH og innhold av oppløste salter kan være av stor betydning for korrosjon av metalliske rørledninger og pele-

fundamenter.

Likedan kan innhold av organiske materialer og

sulfater i jordsmonnet under enkelte omstendigheter forårsake metallisk bakteriekorrosjon.

Rørledninger og fundamenter av

sementbundne materialer vil også under visse omstendigheter

kunne angripes. 33.4.5

Andre faktorer

Utover de miljøfaktorer som allerede er nevnt, kan det rent lokalt også være en del andre miljøfaktorer som må vurde­

Dette gjelder spesielt i industriområder, hvor kjemikalier

res.

røyk og avgasser ofte kan forårsake et aggressivt miljø.

MATERIALPRØVING

33.5

Formålet med materialprøving er å framskaffe et visst grunnlag for å kunne forutsi og vurdere hvorledes et material

vil oppføre seg under praktisk bruk.

Ved prøving av materi­

alers bestandighet er det meget vanskelig å framskaffe prøvingsbetingelser som er mest mulig i samsvar med de påkjenninger

materialene blir utsatt for i praksis.

Spesielt gjelder dette

tidsfaktoren. Materialene skal kanskje være funksjonsdyktige i minst

10 år og i mange tilfeller 50 år eller mer.

Av praktiske

grunner må materialprøvingen derfor som regel sterkt aksele­

reres.

Dermed vil nedbrytningsmekanismene lett kunne forvren­

ges slik at vi fjerner oss fra de faktiske forhold.

Det blir

derfor vanskelig å tolke resultatene og overføre dem til prak­ sis.

Det kreves stor materialteknisk innsikt både for å utføre

materialprøving og utnytte resultatene på en fornuftig måte.

Kap. 33 - 46

Ved all slik prøving må prøvebetingelsene nøye vurderes i forhold til de forventede miljøbetingelser som materialet

blir utsatt for i praksis.

For det første bør vi vurdere

prøvebetingelsenes gyldighet for den aktuelle bruk.

For det

andre bør vi vurdere prøveresultatene på et statistisk grunn­

lag. Prøving av materialers frostbestandighet foregår f.eks. ved at materialer utsettes for gjentatte fryse-tine-sykler

hvor opptiningen foregår i vann.

Det er klart at dette er

svært forskjellig fra f.eks. frostpåkjenning på en utendørs

vertikal vegg.

Når en prøvemetode skal vurderes, bør vi derfor alltid spørre oss selv om hva vi måler, og om det vi måler egentlig

er det vi ønsker å måle.

Videre må vi forsøke å vurdere hvilke

forstyrrende effekter som eventuelt vil kunne påvirke måleresul­ tatene.

Vi må ikke la oss forlede til å tro at prøveresultatene

gir et godt vurderingsgrunnlag selv om resultatene rent statis­

tisk får et lavt standardavvik.

Hvis prøvebetingelsene ikke er

gyldige, kan resultatene likevel være helt meningsløse. 33.5.1

Tidsfaktoren

Den eneste helt sikre framgangsmåten for å prøve bestan-

digheten av et material i et gitt miljø er å utføre feltforsøk med materialet i det aktuelle miljøet over en lengre periode. Da slike feltforsøk kan ta både 10 og 50 år eller mer, og vi

ønsker data om materialet så snart som mulig nettopp for å kartlegge praktiske anvendelsesområder, er empiriske feltforsøk en besværlig framgangsmåte.

Enkelte ganger kan det likevel

være helt nødvendig å komplettere og sammenlikne akselererte korttidsprøver med resultater fra feltforsøk eller erfaringer

fra eksisterende konstruksjoner utført med identiske eller liknende materialer.

Dette gir oss et bedre grunnlag for å

kunne vurdere korttidsprøvenes gyldighet.

Kap. 33 - 47

33.5.1.1 Ekstrapolering_i_tid Mange tidsforløp for forandring av materialegenskaper følger tilnærmet enkle, matematiske funksjoner.

For utvik­

ling av kryp har vi f.eks.: (f> = atb

(33.15)

hvor = kryptall

a = proporsjonalitetsfaktor t = tid

b = faktor (ca 0,2)

For kapillaroppsuging har vi: (33.16)

x = a/t hvor x = kapillarsug - væskeinntrengning i materialer

a = proporsjonalitetsfaktor t = tid

For slitasje har vi: x = at

(33.17)

hvor x = slitasje

a = proporsjonalitetsfaktor

t = tid Slike funksjoner blir ofte rette linjer i et dobbeltlogaritmisk diagram.

Det kan derfor være beleilig å plotte inn

måleresultater i et slikt diagram for deretter å ekstrapolere

ved hjelp av den rette linjen.

Før vi utfører en slik ekstra-

polering, må vi imidlertid vurdere om det er grunnlag for å kunne ekstrapolere.

Vi må også kunne vurdere eventuelle for­

andringer i det ekstrapolerte kurveforløp. vi se på noen enkle eksempler.

I det følgende skal

Kap. 33 - 48

Eksempel 1

Armeringsstål innstøpt i betong er som regel fullt ut beskyttet mot korrosjon pga. betongens høye pH-verdi.

Under

enkelte omstendigheter kan imidlertid luftens kulldioksyd karbonatisere betongoverdekningen, dvs. at betongens Ca(OH)2

omdannes til CaCO3.

Dermed synker pH-verdien, og faren for

armeringskorrosjon øker.

Karbonatiseringen starter på over­

flaten og trenger etterhvert innover i betongen mot armerings­ stålet . Denne prosessen kan ta lang tid, kanskje 50 år eller mer,

eller betongoverdekningen kan være gjennomkarbonatisert på noen Dette er avhengig av betongkvaliteten.

få år.

Selv om en

betongkonstruksjon altså har stått bra i mange år uten arme­ ringskorrosjon, kan korrosjonsangrepet likevel starte opp etter

en lang funksjonsperiode.

I slike tilfeller kan vi gjøre påli­

telige overslag over karbonatiseringshastigheten ved å måle karbonatiseringsdybden på et gitt tidspunkt og bruke flg. formel: x = k/t

(33.18)

hvor x = karbonatiseringsdybde t = tid

Eksempel 2 Et industrigulv kan dels utsettes for kjemisk angrep (k),

dels for mekanisk slitasje (s).

Vi antar at angrepsdybdene

kan adderes på følgende måte: x = xk + xs

(33.19)

hvor x,

= 0,5 Æ

(mm)

x

= 1,0 • t

(mm)

t

s

= antall år

Kap. 33 - 49

Vi antar videre at våre uttrykk for x, og x er funnet K. S v.h.a. en regresjonsanalyse på grunnlag av observasjoner gjen­ nom en 3-måneders observasjonsperiode.

Vi antar også en måle-

nøyaktighet på 0,01 mm.

Tabell 33.4 Observasjoner for nedbrytning av et industrigulv. t (mnd)

0,5

1

2

3

t (år)

0,042

0,083

0,167

0,25

xk (mm)

0,10

0,14

0,20

0,25

xs (mm)

0,04

0,08

0,17

0,25

Z x. + x k s

0,14

0,22

0,37

0,50

Måleresultatene ovenfor er plottet i et diagram som vist på fig. 8.26. linje.

Resultatene ligger ganske nøyaktig på en rett

Ekstrapolering etter denne rette linjen viser at et

ca 7 mm tykt sjikt av gulvet vil være slitt bort etter 10 år, og ca 20 mm etter 50 år.

Fig.33.26

Ekstrapolering av observasjoner for nedbrytning av et industrigulv.

Kap.

33 - 50

Dersom vi imidlertid benytter likn. (33.18)

får vi:

x = x. + x = (0,5/10 + 1,0 • 10)mm = ca 12 mm etter 10 år k s

x = x. + x = (0,5/50^ + 1,0 • 50)mm = ca 54 mm etter 50 år JC s Dette eksemplet viser at grafisk ekstrapolering gir feil resul­ tater fordi den kjemiske nedbrytning har dominert under observa sjonsperioden, mens den mekaniske slitasjen betyr mer på lengre

sikt.

Eksempel 3 Langtidsbrudd pga. kryping kan bero på ren tverrsnittsreduksjon eller på sprekktilvekst.

Den første vil gi et seigt

brudd, mens den andre vil gi sprøbrudd.

For visse materialer

dominerer den første bruddtypen ved korte belastninger og den

andre ved lengre belastninger.

Sammenhengen mellom belastnings

tidens utstrekning og bruddlastens størrelse blir slik som vist i fig. 3-3.27.

Fig. 33.27

Krypbrudd pga. ulike bruddtyper ved ulike

belastningstider .

Kap. 33 - 51

En ekstrapolering kan således føre til alvorlig over­

vurdering av materialets bæreevne for langtidslast fordi ulike mekanismer bestemmer bruddet ved ulike belastningstider.

Slike effekter gjør ekstrapolering svært vanskelig. Som det framgår av det foregående kan en ekstrapolering

gi verdifulle informasjoner.

Forutsetningen er imidlertid at

vi kjenner de aktuelle mekanismer slik at vi kan vurdere grunn­ laget for en ekstrapolering.

Hvis vi ikke har innsikt til å

kunne vurdere dette, må vi være meget forsiktig med å ekstra-

polere forsøksresultater basert på korttidsprøving.

33.5.1.2 Akselerert-Orøying Det vi ofte tilstreber ved en akselerert prøving er å

oppnå en høy konstant hastighet på den nedbrytningsprosess som skal undersøkes.

Nedbrytningsprosessens hastighet kan økes ved å øke angre­ pets intensitet f.eks. ved å øke temperaturen.

Økningen av

intensiteten i forsøksbetingelsene kan bare benyttes hvor dette i ikke altfor stor grad påvirker selve angrepsmekanismen.

Ved prøving av organiske materialers bestandighet overfor

UV-stråling eller ozon kan vi øke strålingsintensiteten eller ozoninnholdet og derved få en tilsvarende høy nedbrytnings.hastighet.

Det kan imidlertid være vanskelig å få en korrekt

øking av strålingsintensiteten fordi kunstige strålingskilder

ikke har samme bølge-lengdefordeling som naturlige stråler. Det er ikke alle bølgelengder i UV-stråling som virker ned­

brytende .

Akselerert prøving av slitasjemotstand kan f.eks. også gjennomføres på relativt kort tid, men det er meget vanskelig

å etterligne den virkelige slitasje.

Soppangrep i trevirke kan også optimaliseres ved å utføre forsøk under de temperatur- og fuktbetingelser som er mest,

gunstige for sopputviklingen.

Kap.

33 ~ 52

Angrep av syrer kan akselereres ved å øke syrenes konsen­ Tolkningen av slike forsøk kan imidlertid medføre

trasjon.

store vanskeligheter.

Økt syrekonsentrasjon betyr senking av

pH-nivået,' og dette kan fullstendig endre angrepets karakter.

Et material kan for eksempel være bestandig innenfor et visst pH-område, men det kan være helt ustabilt utenfor dette området. Som det framgår av de eksempler som er nevnt ovenfor, kan

det være meget vanskelig å vurdere konsekvensene av akselererte forsøksbetingelser.

Ofte er det nødvendig å utføre forsøk med

varierende intensitet for å kunne vurdere effekten av ulike

faktorer.

Dersom to nedbrytende faktorer virker sammen og gir

en forsterkende effekt, kan denne effekten fjernes hvis bare intensiteten hos en av faktorene økes.

Kjemiske reaksjoners hastighet vil som regel fordobles ved en temperaturøkning på ca 10°C. Derfor kan en kjemisk

nedbrytning enkelte ganger akselereres ved å øke temperaturen. Metoden kan imidlertid ikke benyttes dersom den økte temperatur

også forandrer selve materialegenskapene .

Dette er ofte til­

felle med f.eks. organiske materialer som kan bli myke eller mere porøse.

Det viser seg altså at vanskelighetene med akselerert prøving ofte ligger på manglende gyldighet for forsøksbeting­

elsene.

Vi må her som ellers ikke la oss forlede av statistisk

pålitelige resultater som kan vise lav spredning.

33.5.2

Forsterket samvirke av nedbrytende faktorer

Svært ofte opptrer et forsterket samvirke mellom flere forskjellige nedbrytende faktorer.

De forskjellige nedbryt-

ningsmekanismene forsterker hverandre på en slik måte at den

totale effekt blir større enn summen av alle deleffektene.

Gummi kan f.eks. oppbevares i lang tid i ozonholdig atmos­

fære uten å skades, og gummi kan også stå i tøyd tilstand gjen­ nom lengre tid uten at materialet skades.

Dersom gummi både

tøyes og plasseres i ozonholdig atmosfære, vil materialet sprekke opp og ødelegges på relativt kort tid.

Kap.

33 - 53

Nedbrytning av et porøst material pga. frost krever både kulde og fuktighet.

I dette tilfelle er både fukt og

kulde så fundamentalt viktig for nedbrytningsprosessen at

det ikke er naturlig å snakke om et forsterket samvirke.

Hvis

det aktuelle materialet er armert betong, kan frostsprengning

imidlertid legge forholdene tilrette for armeringskorrosjon. Resultatet blir en forsterket og akselerert nedbrytning. Forsterket samvirke mellom flere nedbrytende faktorer

forekommer oftere enn det vi skulle tro.

Vi må derfor vurdere

om prøven med ensartede påkjenninger bør kompletteres med kom­ binerte påkjenninger.

Erfaringer fra feltforsøk er spesielt

verdifulle, da vi her får realistisk innvirkning av alle ned­ brytende faktorer i det aktuelle miljø.

33.5.3

Samvirke mellom materialer

Problemer med bestandighet og vedlikehold kan ofte føres tilbake til en uheldig kombinasjon av enkeltmaterialer.

Om f.eks. to forskjellige metaller står i kontakt i et

fuktig miljø, kan det oppstå en galvanisk korrosjon som repre­

senterer et vesentlig større problem enn den korrosjon som vil kunne foregå på metallene hver for seg.

Det som ofte betyr noe

er hvordan materialene samvirker.

Dersom vi benytter en uhensiktsmessig overflatebehandling på fasadetegl, kan risikoen for -frostsprengning øke. En sterk murpuss på et dårlig underlag kan også medføre

at pussen ødelegger underlaget pga. temperatur- og fuktdeformasjoner.

33.5.4

Teoretiske modeller

Som vi forstår av det foregående kan det være vanskelig

å vurdere bestandigheten av materialer.

For å redusere risi­

koen for feilvurdering må vi tenke vel igjennom hvilke kjem­

iske, fysikalske og biologiske prosesser som kan være virksomme i det aktuelle tilfelle.

Hvis vi klarer å overføre slike pro­

sesser til en teoretisk modell, kan dette være til hjelp både

Kap.

33 - 54

for forsøksopplegg og bearbeidelse av resultater.

Vi må

imidlertid hele tiden vurdere den teoretiske modell opp mot

virkeligheten. Vi har tidligere sett på et eksempel for kjemisk og meka­

nisk slitasje på et industrigulv (pkt.33.5.1.1).

Oppstilling

av teoretiske tidsfunksjoner for kurveforløp var her til hjelp for å kunne ekstrapolere måleresultatene.

Ved karbonatisering av betong kreves et visst innhold av fukt for at heftens C02 skal kunne omvandle betongens Ca(OH)2

til CaCOa.

Et for høyt fuktinnhold i betongen vil imidlertid

hindre inntrengning av luftens C02 og dermed nedsette karbona-

tiseringshastigheten.

Karbonatiseringen skjer derfor hurtigst

ved et visst optimalt fuktinnhold, og dette bør vi også ta med i betraktning ved vurdering av karbonatiseringshastighet .

Ved hjelp av teoretiske modeller har vi i de senere år også fått en betydelig bedre forståelse for frostbestandig-

hetsspørsmål.

Dette gjør at prøving av frostbestandighet kan

utføres og bedømmes langt sikrere enn tidligere.

Kap. 33 - 55

LITTERATUR Kap.33 er hovedsakelig hentet fra:

/l/

Hillerborg, A. m.fl.: "Byggnadsmateriallara AK", Tekniska Hogskolan i Lund, Sverige, 1974.

/2/

Hillerborg, A. m.fl.: "Byggnadsmateriallara FK I", Tekniska Hogskolan i Lund, Sverige, 1975.

/3/

Hillerborg, A.: "Byggnadsmateriallara FK II", Tekniska Hogskolan i Lund, Sverige, 1976.

I disse refereres bl.a. til: /4/

Aschan, N.: "Mikroorganismers betydelse vid uppkomsten av korrosion i betongror", Bvggaren nr. 8, Helsingfors, 1962.

/5/

Bergstrom, S.G.: "Materialets bestandighet - en allmån oversikt", Kompendiet over specialkonferensen Tak och Fasader, 22-23 nov. 1967.

/6/

Biczdk, I.: "Concrete corrosion, concrete protection", Budapest, 1964.

/7/

Cordon, W.A.: "Freezing and Thawing of Concrete - Mechanisms and Control", ACI Monograph No. 3, 1966.

/8/

Floberg, S.: " Elementår korrosionslåra", Kompendium CTH, 1965.

/9/

Gjørv, O.E.: "Durability of Reinforced Concrete Wharves in Norwegian Harbours", Ingeniørforlaget A/S, Oslo, 1968.

/10/

Hedvall, J.A.: "Samarbete med kemister till forbåttring av materialvalet i byggen", Från byggnadsforskningens front, Goteborg, 1961.

/Il/

Markestad, A.: "Kjemiske problemer i forbindelse med betong", NTHM-publikasjon nr. 58, Trondheim, 1959.

/12/

Markestad, A.: "Materiallære II", Tapir, Trondheim, 1968.

/13/

1964 års Naturresursutredning: "Miljovårdsforskning", SOU 1967: 43 o 44, Jordbruksdepartementet.

/14/

Powers, T.C. og Helmuth, R.A.: "Theory of Volume Changes in Hardened Portland Cement Paste during freezing", Proc. Highway Res. Board 32, 1953.

Kap. 33 - 56

/15/

Rennerfelt, E. : "Tråskydd", Svenska Skogsvårdsforeningen, 1962.

/16/

Shreir, L.L.: "Corrosion of metals and alloys", London, 1963.

/17/

Sneck, T.: "Korrosion av jårn och stål ingjutet i betong", Nordisk Betong nr. 1, 1961.

/18/

Stromberg, A.: "Vittringsskador på byggnadsmaterial", Byggforskningen, sårtryck nr. 9, 1964.

/19/

Thunell, B.: "Trå - dess byggnad och felaktigheter", Byggstandardiseringen, 1952.

/20/

Trågårdh, K.F.: "Forsok med omålat stål", Teknisk Tidskrift nr. 44, 1954.

/21/

Uddeholms korrosionshandbok , Goteborg, 1961.

/22/

Van Vlack: "Elements of materials science", Addison-Wesley Publ. Co., Massachusetts, USA, 1960.

/23/

Warris, B.: "The influence of air-entrainment on the frost resistance of concrete", Part B, Cement- och Betonginstitutet, Handling nr. 36, Stockholm, 1964.

/24/

Wranglén, G-. : "Metallers korrosion och ytskydd", Almqvist & Wiksell, Uppsala, 1967.

/25/

Wranglén, G.: "Olika slag av korrosion och miljons betydelse", Kompendium over Scancorr-konferensen i Goteborg, 2-3 nov. 1966.

/26/

Ostman og Ernfors: "Meteorologi och hydrologi", Bygg I, kap. 149, Stockholm, 1961.

/27/

Fagerlund, G.: "Kritiska vattenmåttnadsgrader i samband med frysning av porosa och sproda material", Inst. f. byggnadsteknik, Lund, rapport 34, 1972.

/28/

Mattsson, E.: "Elektrokemi och korrosionslåra", Korrosionsinstitutet, Bulletin 56, 1970.

/29/

Brosset, C.: "Air-Borne Acid", Ambio, Royal Swedish Academy of Sciences, Volume II, No. 1-2, 1973.

/30/

Danielsson, U. og Wastesson, A.: "The frost resistance of cement paste as influenced by surface active agents", Cement- och betonginstitutet, Handlingar nr. 30, 1938.

/31/

SIS 22 21 02, 1966.

Kap.

33 - 57

/32/

Statens betongkommitte : "Beståmmelser for betongkonstruktioner. Material och utforande", Betong (B5) , 1973.

/33/

Schneider, H.: "Uber den Frostwiderstand von Dachziegeln und seine Prufung", Die Ziegelind 15, H 8-13, 1962.

/34/

Håland, L. og Werner Johannesen, T.: "Standard Normals 1931-60 of the Humidity of the Air in Norway", Det Norske Meteorologiske Institutt, Oslo, 1969.

/35/

SNSF-prosjektet "Sur nedbørs virkning på skog og fisk", Beretning Fase I, Oslo - Ås, 1976.

Kap. 34

Kap. 34

MATERIALERS HØYE

34.1

1

OPPFØRSEL

VED

TEMPERATURER

INNLEDNING

Det temperaturområdet som våre bygningsmaterialer må tjenestegjøre under, er normalt -30°C til +50°C. Av og til må imidlertid bygningsingeniører prosjektere bygninger som skal stå under høyere temperaturer.

Dette kan eksempelvis

gjelde fabrikkhaller (smelteverk) hvor man kan finne varige temperaturer under etasjeskiller eller tak på 60 - 100°C. I reaktoranlegg har man målt ca 300°C i visse betongkonstruk­

sjoner. I den industrielle produksjon benytter man seg av temperaturer opp til 6000°C. Med høye temperaturer skai vi dog i dette kapittel i

første rekke tenke på branntemperaturer. Under en brann kan man få alle temperaturer opp til 1100 - 1200°C, i særskilte tilfelle opp til 1500°C.

Til sammenligning kan nevnes at

temperaturen i gloen på en tent sigarett er ca 500°C og i en fyrstikkflamme ca 1000°C.

34.2

DEFINISJONER

34.2.1

Kjemiske reaksjoner

Ved en kjemisk reaksjon dannes det ett eller flere nye stoffer.

Iblant skjer reaksjonen under varmeutvikling.

kalles da en eksoterm reaksjon. er eksotermiske.

Den

Alle forbrenningsreaksjoner

Hvis man derimot må tilføre varme for at

reaksjonen skal gå, kalles den en endoterm reaksjon.

Når

visse slokkingsmidler nedbrytes i flammene, er det en endo­

term reaksjon. En kjemisk reaksjon kan uttrykkes ved reaksjonslikningen: C + O2 Z CO2 + varme

Pilene angir at reaksjonen kan gå begge veier (den er rever­ sibel) .

Kap.

34

2

At det frigjøres varme når karbon og oksygen reagerer med hverandre (når karbon brenner), skyldes at karbon inne­ holder mer energi enn forbrenningsproduktet karbondioksyd. Ved forbrenningen frigjøres differensen mellom disse energi­

mengdene, og den får temperaturen i karbondioksyd til å stige.

Forbrenningen er altså en kjemisk reaksjon hvor oksygen bindes. Slike reaksjoner tilhører en gruppe som kalles oksydasjoner,

og forbrenningsproduktene kalles oksyder. En kjemisk reaksjon mellom forskjellige molekyler inne­

bærer en sammenkobling av de ytre elektronskallene .

Men langt

fra alle "kollisjoner" mellom molekyler fører til kjemiske reak­ sjoner.

Av to molekyler som kolliderer, må i hvert fall det

ene inneholde en viss minimumsenergi.

Slike molekyler som

inneholder mer energi enn denne minimumsenergi, kalles aktive. Ved høyere temperaturer er tallet på aktive molekyler større, og stiger temperaturen 10°C vil reaksjonshastigheten bli om­

trent fordoblet.

En temperaturstigning på 100°C vil altså

innebære at reaksjonshastigheten øker 2»2’2»2*2»2»2«2»2*2 = = 210, dvs. ca 1000 ganger (jfr. kap.33 Bestandighet). Visse stoffer, selv i svært små mengder, kan øke reak-

sjonshastigheten.

Slike stoffer kalles katalysatorer.

kan de delta i reaksjonen og danne mellomprodukter.

Iblant

Visse

katalysatorer kan dannes ved den kjemiske reaksjonen og for­ andre reaksjonshastigheten.

Disse kalles autokatalysatorer.

Andre stoffer minsker reaksjonshastigheten.

Slike stoffer

kalles inhibitorer (jfr. inhibere = mindre).

Både katalysatorer og inhibitorer har meget stor betyd­ ning for brannforsvaret.

Katalysatorer er ofte opphav til

brann, eller de øker brannens heftighet. tes til å forebygge brann.

Inhibitorer utnyt­

Inhibitoreffekten utnyttes også

i forskjellige slokkingsmidler eller til å forsterke virkr ningen av dem.

Kap. 34-3

3 4.2.2

Forbrenning

Fra et kjemisk synspunkt er forbrenningsforløpet et resul­ tat av to forskjellige prosesser.

I den første nedbrytes det

brennbare stoffet til enklere bestanddeler, eller det omformes

til gass.

I den andre prosessen forener de enkelte bestand­

deler eller de avgitte gasser seg med oksygen og danner nye stoffer, oksyder.

Nedbrytningsprosessen er endoterm, mens

oksydasjonen av nedbrytingsproduktene er eksoterm.

Det vil si

at det kreves en viss varmetilførsel for at forbrenningen skal

komme i gang.

Skal forbrenningen kunne fortsette uten varme­

tilførsel utenfra, må den varmemengden som frigjøres ved reak­ sjonen med oksygen, alltid være større enn den som kreves for nedbrytingsprosessen.

Sluttproduktene

ved en forbrenning er varme, forbrennings-

gasser og aske. I de fleste brennbare stoffer, både faste og flytende

stoffer og gasser, består de brennbare bestanddelene hovedsake­ lig av karbon (C) og hydrogen (H) i forskjellige mengdeforhold.

Derfor vil forbrenningsgassene for en stor del bestå av karbon-

monoksyd (CO), karbondioksyd (C02) og vanndamp (H20).

Dessuten

inneholder forbrenningsgassene oksygen (02) som ikke er forbrukt og nitrogen (N2) som kommer fra forbrenningslufta.

Visse stoffer gir bare forbrenningsprodukter i gassform.

De forbrenner derfor uten rester.

Ved en vanlig brann vil det

imidlertid dannes en større eller mindre rest, aske.

Den kan

inneholde 1)

Ubrennbare bestanddeler fra det brennende stoffet, f.eks. kvarts, sand, mørtel og sement.

2)

Oksyder eller andre forbindelser som er resultat av

forbrenningen.

Dette er faste stoffer, f.eks. magne-

siumoksyd, pottaske (kaliumkarbonat i bjørkeaske) og

rust (jernoksyder). 3)

Uforbrent karbon.

Kan. 34 - .4

Slagg er aske som har smeltet og størknet.

Slaggdannel-

sene kan enten skyldes at aska blir utsatt for meget høy tempe­ ratur, eller at aska inneholder lettsmeltelige forbindelser, •

såkalte slaggdannere.

Brann

34.2.3

For at det skal oppstå brann, må fire faktorer forekomme

samtidig, nemlig: 1) brennbart stoff (reduksjonsmiddel) , 2) stoff som kan gi fra seg oksygen (oksydasjonsmiddel ),

f.eks. luft, 3) et visst mengdeforhold mellom utviklede brennbare

stoffer og oksydasjonsmidlet,

4) tenntemperatur i ett punkt av det brennbare stoffet. For at brannen skal fortsette, kreves det at de termiske egenskapene i systemet er slik at temperaturen ikke synker

under tenntemperaturen (se avsnitt 34.3.3).

Fra et fysikalsk-kjemisk synspunkt kan brannen opptre på to måter, nemlig glødende eller flammende. begge former samtidig.

Som regel forekommer

Hvilken form som blir den fremherskende,

er i første rekke avhengig av de egenskaper det brennbare stof­

fet har.

Men også andre faktorer, som f.eks. finfordelingen

av det brennbare stoffet, kan virke inn. Forutsetningen for at man får en flamme, er at det brenn­

bare stoffet utvikler gass eller damp; en flamme er altså en glødende gassmasse. ende" flammer.

Man skiller mellom lysende og "ikke-lys-

At visse flammer lyser kommer av at det ved forbrenningen skilles ut fast stoff, som regel karbon, i form av små partik­

ler.

På grunn av den høye temperaturen i flammen blir partik­

lene glødende og sender ut lys.

Lysende flammer forekommer

ved brann i karbonrike stoffer, f.eks. tre, steinkull, olje,

stearin, petroleum og acetylen, og ved brann i visse metaller,

magnesium o.fl.

Kap.

34-5

Den delen av den utviklede energien som omformes til lys

i en flamme er avhengig av temperaturen, trykket og mengden av partikler i flammen. lysende" flammer.

Visse stoffer gir ved forbrenningen "ikke-

Dette gjelder f.eks. alkohol og aceton.

de aller fleste stoffer gir en svakt farget flamme.

Men

For eksem­

pel har hydrogen rødgul, karbonmonoksyd og svovel lyseblå og

ammoniakk gul flamme.

I tabellen nedenfor angis flammereak-

sjonen for noen stoffer.

Tabell 34.1 Flammereaksjonen for noen stoffer.

Stoffet inneholder

Flammens farge

natrium

gul

kalium

fiolett

kalsium

gulrød

kobber

grønn

barium

gulgrønn

strontium

purpurrød

bly

blekblå

En uvanlig farge på flammene ved en brann betyr derfor enten at det er slike stoffer som brenner, eller at stoffene

forekommer i brannen som støv eller damp. Glød (gløding) er det lyset som et legeme sender ut når

det oppvarmes til høy temperatur.

Ved hjelp av glødefargen

kan man til en viss grad vurdere temperaturen på det glødende stoffet. Ved ca 500°C begynner de fleste faste stoffer å sende ut synlig lys.

Ved høyere temperatur blir glødefargen lysere.

For stål f.eks. regner man i praksis med følgende glødetemperaturskala (skalaen gjelder tilnærmet):

Kap.

Tabell 34.2

34-6

Tilnærmet glødetemperaturskala for stål.

Glødefarge

Temp.

Begynnende rødgløding

ca

(°C)

525

Mørk gløding

700

Kirsebær gløding

850

Lys rødgløding

950

Gulrød gløding

1100

Begynnende hvitgløding

1200

Hvitgløding

1500

Elektrisk lysbue

3000

I faste, organiske stoffer, tre, papir, tekstiler osv.

går de flyktige (dvs. gass- eller dampdannende) bestanddeler, oljer, hydrokarboner osv. først over til flytende form.

Der­

etter blir de til gass og brenner med flamme utenfor det faste stoffet.

Resten, det faste restproduktet, gløder.

Visse faste og halvfaste stoffer smelter ved oppvarming,

f.eks. asfalt, parafinvoks, stearin, gummi osv.

Ved oppvarm­

ing går de først over til flytende form, deretter til gassform.

Gassene kan danne flammer over smelta.

Brennbare væsker bren­

ner heller ikke direkte, men går ved oppvarming over til gass­ form.

Brennbare gasser derimot forbinder seg naturligvis

direkte med oksygen.

Dette vil si at de brennbare stoffene kan inndeles i tre grupper med hensyn til forbrenning (se fig.34.1), som brenner med

1) rein glødebrann uten flamme, 2) rein flammebrann uten gløding, 3) glødebrann og flammebrann.

nemlig stoffer

Kap. 34-7

Varme forbrenningsgasser A

I Varme

Fig. 34.1

Forbrenningsprosessen /!/.

Atskillige av de stoffene som brenner med både gløding

og flamme, har en slik sammensetning at man antar at forbrenn­ ingsprosessen foregår i to, eventuelt tre, trinn.

Først spal­

tes stoffet termisk (varme), idet det går over til gass og

brenner med flamme.

Deretter fortsetter forbrenningen som en

kombinasjon av flamme- og glødebrann.

glødebrann.

34.2.4

Til slutt er det rein

Dette gjelder som tidligere nevnt for f.eks. tre.

Varme

Vi må skille nøye mellom den temperatur som oppnås ved en brann og den varmemengde

(forbrenningsvarme) som frigjøres

ved brannen.

Hvis et legeme tilføres varmeenergi eller legemet avgir

varmeenergi, vil den temperatur som legemet får, være avhengig av:

1) hvor stor varmemengde som er tilført eller avgitt, 2)

legemets masse,

3)

legemets opprinnelige temperatur,

4)

legemets varmekapasitet (spesifikk varme).

Kap. 34

8

Varmekapasiteten for et stoff uttrykkes ved en fysikalsk enhet som kalles spesifikk varme.

Det vil si den varmemengde

i kJ som kreves for å øke temperaturen 1 K hos 1 kg av stoffet (for gasser brukes iblant enheten 1 m3).

Spesifikk varme angis

altså i kJ/K og kg.

Tabell 34.3 Spesifikk varme.

Aluminium

0,92

Jern

0,46

Kobber

0,42

FASTE

Is

2,2

STOFFER1

Betong

0,92

Teglstein

0,75

Tre

2,3-2,7

Glass.

0,84-0,92

Vann

4,2

Bensin

2,1

Petroleum

2,1

Oksygen Vanridamp (ved 100°C)

-■

00 4^

o

O

■

i—

O

Nitrogen

O

Luft

00 4^

GASSER2

i—1

Karbonmonoksyd

i—1

Karbondioksyd

o

Hydrogen

to O

VÆSKER

O

kJ/(K kg)

i—•

STOFF

Verdiene gjelder for tempetaturområdet +20°C - +100°C.

De øker noe med stigende temperatur, men er likevel bruk­ bare ved de temperaturer som er aktuelle ved brann.

2) Verdiene gjelder ved 0°C og 1 atmosfæres trykk.

Kap.

34-9

Ved fullstendig forbrenning av stoff frigjøres en bestemt

varmemengde som kalles stoffets varmeverdi

forbrenningsvarme.

(brennverdi) eller

For faste stoffer og væsker blir varmever-

dien som regel angitt pr kg stoff, mens den for gasser som regel angis pr m3 gass. Man forutsetter da 0°C og 1 atmosfæres trykk.

1 m3 gass ved denne tilstand (normaltilstanden,

også kalt NTP) benevnes 1 normal-m3.

Ved forbrenning utvikles det iblant vanndamp.

Verdiene

som er gitt i tabell 34.4 gjelder i de tilfeller hvor den vann­ damp som er dannet ikke blir kondensert, men forblir i dampform

(effektiv varmeverdi).

Dette er i realiteten det normale ved

en forbrenning.

Tabell 34.4

Brennverdien for noen stoffer. STOFF

kJ/kg

Aluminium

29 000

Magnesium

25 100

Tre (uinnpregnert)

ca 18 500

Tre (kreosotinnpregnert)

ca 42 000

Ren cellulose

16 100

FASTE

Celluloid

17 600

STOFFER

Kork

ca 31 000

Gummi

ca 45 000

Nylon

29 300

Polyester

27 200

Polyvinylklorid

20 900

Polyuretanskum VÆSKER

ca 27 200

Bensin

44 000

Petroleum

43 500

Acetylen

48 600

Bygass

GASSER

Hydrogen

kJ/normal-m3

56 900 16 700

120 000

10 800

Karbonmonoksyd

10 100

12 700

Propan

47 700

93 600

Kap. 34 - 10

Tabellen viser at de flytende brennstoffene og de fleste

brennbare gassene har høy brennverdi.

Tabellverdiene gjelder

ved fullstendig forbrenning, ved en normal brann er forbrenn­ ingen normalt ufullstendig.

Normalt frigitte varmemengder er

derfor som regel mindre enn verdiene i tabell 34.4.

34.2.5

Forbrenningshastighet

Forbrenningshastigheten avhenger av flere faktorer.

I

praksis er det imidlertid lufttilførselen (oksygentilførselen) som ofte bestemmer forbrenningshastigheten.

Samme vektmengde

av forskjellige stoffer krever, avhengig av den kjemiske sammen­ setningen,

forskjellige luftmengder til forbrenningen.

Hvis

det ikke blir tilført luft (oksygen) etter hvert som oksygen forbrukes, synker tallet på oksygenmolekyler i lufta.

Antallet

aktive molekyler blir mindre, og reaksjonshastigheten avtar. Derimot øker reaksjonshastigheten hvis lufttilførselen

økes

(innen visse grenser).

Dette fenomenet kan vi iaktta når

vi blåser luft på glørne i et ildsted.

Tallet på oksygenmole-

kylet øker, antallet aktive molekyler øker, og forbrenningen

foregår hurtigere.

Hvis lufttilførselen foregår svært hurtig,

kan imidlertid brannen dempes eller til og med slokke.

Dette

skyldes at luftstrømmen avkjøler bålet kraftig idet den passe­ rer.

Visse stoffer inneholder selv de oksygenmengder som trengs

til forbrenning av stoffet.

Slike stoffer har gode forutset­

ninger for å forbrenne svært hurtig, fordi oksygenatomene kan reagere med én gang.

Dette er tilfelle med bl.a. sprengstoffer.

Forbrenningshastigheten er imidlertid også sterkt avhengig av størrelsen og strukturen på den overflaten som kommer i kon­ takt med lufta.

Hvis man lager trekull av et trestykke og ten­

ner på, vil man oppdage at trekullet brenner opp meget hurtigere enn et like tungt, men kompakt trestykke. er at den totale kontaktflaten blir større.

Årsaken til dette

Oksygenmolekylene

i lufta får større muligheter til å treffe "brennstoffmolekylene”.

Kap.

34

11

Jo større overflate av det brennende stoffet som kommer

i kontakt med luft (oksygen), desto hurtigere forbrenner stof­ fet .

Når det gjelder et stoff i gassform, kan man si at finfor­ delingen er drevet så langt at størrelsen av partiklene svarer til størrelsen på molekylene.

Forekommer gassen i blanding

med luft, er kontaktflaten mot lufta størst, og forutsetningene for en meget hurtig forbrenning, kanskje en eksplosjon, er til stede.

Forbrenningshastigheten er således i første rekke avhengig av 1) lufttilførselen (oksygeninnholdet), 2) størrelsen på kontaktflaten.

Etter forbrenningshastigheten kan man skille mellom: 1) Langsom forbrenning. 2)

"Normal" forbrenning.

Eksempel: glødebrann i kull. Eksempel: brann i papir og tre.

3) Forpuffing (størrelsesorden cm/s).

En svak (langsom)

eksplosjon som gir en relativt liten trykkstigning. Eksempel: filmbrann. 4) Eksplosjon (størrelsesorden m/s).

En meget hurtig for­

brenning med en kraftig og relativt hurtig trykkstigning

som følge.

Eksempel: luftblandinger avgasser, tåker

eller støv som eksploderer.

Kruttbrann.

5) Detonasjon (størrelsesorden km/s).

En uvanlig hurtig

forbrenning med en kraftig og meget hurtig trykkstig­ ning som følge.

34.2.6

Eksempel: detonerende troty1.

Branntemperatur

Den temperaturen man får i et bål, er avhengig av mange forskjellige faktorer.

Av de viktigste er:

Kap.

12

34

1) Brennverdien hos det brennende materialet.

En høy

brennverdi innebærer stor energiavgivelse og dermed

høy temperatur. 2) Forbrenninghastigheten.

Jo hurtigere varmeenergien

frigjøres, desto høyere blir temperaturen. 3) Lufttilførselen til bålet.

Mye overskuddsluft med­

fører at en del varme bindes for å varme opp lufta.

Temperaturen blir derfor lavere. 4) Mengden av forbrenningsgasser.

Ved brann i materiale

som utvikler store mengder forbrenningsgasser, får man lavere temperatur.

For å gi et inntrykk av temperaturen i et bål, er det i

tabell 34.5 satt opp noen maksimumstemperaturer i forskjellige flammer.

Man bør være oppmerksom på at verdiene er omtrentlige

og bare viser eksempler på hvilke temperaturer man kan få.

Tem­

peraturen i flammene varierer sterkt med lufttilførselen og med målepunktet i flammen.

Tabell 34.5

Omtrentlig

maksimumstemperatur i forskjellige

flammer ved forbrenning i luft.

STOFF

Uthelte væsker

°C

750 - 1000

Sigarett (selvglødende)

780

Fosfor

800

Stearinlys

850

Fyrstikk

950

Tre Papir Kull, koks

Magnesium

1000 - 1500 1100

1200 - 1500 ca 2500

Propan 4,2%

1930

Karbonmonoksyd 32%

2100

Hydrogen 32%

2050

Acetylen (etyn)

2330

Sveiseflamme (acetylen + oksygen)

3100

Kap. 34

13

Branntemperaturen i praksis når aldri den teoretiske maksimumsverdien , blant annet på grunn av varmetap til omgivel­

sene, f.eks. ved forskjellig slags varmeledning.

En annnen

årsak er at forbrenningsprosessen er reversibel.

34,3

FORUTSETNINGER FOR BRANN

Minst tre faktorer må forekomme samtidig for at en brann skal oppstå, nemlig: 1) brennbart stoff 2) oksygen (i passende mengde)

3)

tenntemperatur

Det brennbare stoffet

34.3.1

34.3.1.1 Brennbarhet

Det er vanlig å skille mellom brennbare og ikke brennbare stoffer.

Et brennbart stoff kan defineres som et stoff som

utvikler et visst varmeoverskudd (foruten den varmen som kreves til den kjemiske reaksjonen når det forener seg med oksygenet i atmosfæren).

Brennbarheten avhenger av stoffets kjemiske sammenheng. Stoffer med høyt innhold av karbon og hydrogen er svært brenn­ bare.

Nitrogen og halogener (fluor, klor, brom og jod) nedset­

ter derimot brennbarheten.

Metan, CH^, brenner lett.

metan, CH3C1, kan antennes under visse betingelser.

MonoklorMonobrom-

metan, CH3Br, kan bare bli tent med store vanskeligheter og ved

hjelp av spesielle anordninger, mens karbontetraklorid, CCli, , ikke er brennbart.

Oksygenet i et molekyl kan, avhengig av

hvordan oksygenet er bundet, enten øke eller minske brennbar­

heten.

Kap.

34 - 14

34.3.1.2 Tennbarhet Hvor brannfarlig et stoff er, er i første rekke avhengig av hvor tennbart det er.

Vi skiller mellom

1) selvtennelig materiale: materiale som uten medvirkning

av ytre varmekilde eller energiimpuls kan komme i brann

og så brenner videre i vanlig luft. 2) lett-tennelig materiale: materiale som kan tennes med

en vanlig fyrstikk og som på grunn av stoffegenskapene kan fortsette å brenne videre i vanlig luft.

3) tungtennelig materiale: materiale som kan tennes ved

oppvarming og brenne videre så lenge varer.

oppvarmingen

Men på grunn av stoffegenskapene kan det ikke

fortsette å brenne videre i vanlig luft når oppvarm­

ingen opphører.

Det forekommer at man ved hjelp av brannhemmende preparat prøver å minske risikoen for at brennbart materiale skal bli

Disse behandlingsmåtene, maling, impregnering m.m.,

tent.

kan gjøre materialet tungttennelig.

De beste resultatene som

man hittil har oppnådd, er antagelig ved bruk av de såkalte volumøkende preparater.

Tilsynelatende er det i dag umulig ved

impregnering eller lignende å gjøre et materiale permanent ikke-

brennbart og samtidig beholde de øvrige egenskapene ved materi­

alet. Hvor tennbart et stoff er, kan bl.a. uttrykkes ved stof­

fets tenntemperatur (se 34.3.3 Tenntemperatur). 34.3.2

Oksygenet

Tørr og rein luft er en gassblanding med følgende sammen­

setning i volumprosent:

Nitrogen

78,08

Oksygen

20,95

Edelgasser

0,94

Karbondioksyd

0,03

Kap. 34 - 15

Oksygen er en svært reaksjonsvillig gass.

løs og uten lukt og smak.

Den er farge­

(Hovedbestanddelen i lufta, nitrogen,

er en reaksjonsuvillig gass.

Også den er uten lukt og smak.)

I de aller fleste stoffene som omgir oss, finnes oksygen.

Men normalt er oksygenet sterkt bundet og kan ikke medvirke i noen forbrenning.

Karbondioksyd, f.eks. kan ikke holde noen

I visse stoffer er imidlertid oksygenet

forbrenning ved like.

forholdsvis løst bundet.

De kalles oksygenavgivende stoffer.

Eksempler er salpetersyre, nitrater og klorater. Hvis stoffer som gir fra seg oksygen forekommer ved brann,

kan de øke intensiteten i brannen. lufttilgang.

Brannen vil fortsette uten

Dessuten er tenntemperaturen i de fleste tilfeller

lavere. Intensiteten i en brann er, som nevnt i avsnittet om forbrenningshastigheten, bl.a. avhengig av oksygentilførselen.

I

en atmosfære med mer enn 50% oksygen brenner en sigarett med

flamme.

Er oksygeninnholdet i forbrenningslufta under ca 17%,

slokner et stearinlys.

geninnhold som ca 5%.

Hydrogen kan brenne ved et så lavt oksy­

Bygass, metan, propan og butan kan brenne

ved et oksygeninnhold på omkring 10 - 12%.

Reduksjon av oksy­

geninnholdet er derfor en metode som kan brukes både til å

slokke en brann og å hindre at den oppstår. Til en fullstendig forbrenning av et stoff kreves det en

bestemt mengde oksygen (luft), se tabell 34.6.

I praksis er

imidlertid ikke denne teoretiske luftmengden tilstrekkelig. Dette skyldes at lufta (oksygenet)

ikke får kontakt med det

brennende stoffet i bålet i den grad som den teoretiske bereg­ ningen forutsetter.

Den reelle luftmengden er derfor sterkt

avhengig av de ytre forholdene ved forbrenningen.

Vi kan bl.a.

konstatere at luftbehovet synker jo mer stoffet blir oppdelt. Det vil si at den luftmengden som er nødvendig i praksis, avtar når kontaktflaten mellom stoffet og lufta øker.

Kap. 34 - 16

Tabell 34.6 Luftbehov for fullstendig forbrenning. Reell luftmengde i m3/kg brennstoff*

STOFF FASTE

Tre

5 - 7,5

STOFFER

Koks

12 - 15

Bensin

16

Petroleum

16

VÆSKER

14

*Acetylen

GASSER

Bygass

6

Karbonmonoksyd

3

Hydrogen

3

* For gasser m3 luftmengde pr m3 brennstoff.

34.3.3

Tenntemperatur

34.3.3.1 Tenning Den energien som trengs for at noe skal bli tent, oppstår

som regel på noen av følgende måter:

a) Stoffet kommer i kontakt med flammer eller varme forbrenningsgasser eller treffes av varmestrålingen fra et annet brennende stoff.

Eksempel: åpen varme.

b) Stoffet kommer i kontakt med et sterkt oppvarmet legeme. Eksempel: glødelampe, strykejern, sveisesprut.

c) Ved optiske fenomen.

Eksempel: strålebrytning gjennom

linse, vannkaraffel e.1.

d) Ved atmosfæriske eller andre elektriske fenomen. Eksempel: lynnedslag, gnidningselektrisitet (statisk elektrisitet), elektrisitet, lysbue.

e) Ved friksjon. f) Ved kompresjon.

Eksempel: varmgang, mekaniske gnister. Eksempel: sammenpressing av en bland­

ing av brennbar gass (damp) og luft eller av acetylen.

Kap. 34

g) Ved slag eller støt.

17

Eksempel: fenghette, fallende

dråpe av karbondisulfid. h) Ved kjemiske reaksjoner.

Eksempel: selvtenning,

fotokjemiske reaksjoner.

Det er vanskelig å bestemme tenntemperaturen (tennpunktet)

for forskjellige stoffer nøyaktig.

I oppgavene fra de ulike

kilder vil den derfor variere innen vide grenser for ett og Den er avhengig av forsøksbetingelsene, stoffets

samme stoff.

overflate og fuktighetsinnhold, kornstørrelsen (brennbart støv),

trykket, oksygeninnholdet og fuktigheten i lufta osv.

Et lavt

oksygeninnhold øker som regel tenntemperaturen for et stoff. (Tennpunktet for brennbart støv kalles av og til glimpunktet.)

Tabell 34.7

Omtrentlige tenntemperaturer i luft for noen stoffer.

STOFF

Acetylen Bygass

GASSER

VÆSKER

Tenntemp. °C

305 ca 560

Hydrogen

560

Karbonmonoksyd

605

Propan

460

Bensin

25.0

Karbondisulfid

102

Petroleum

230

Asfalt

480

Cellulose

360 60

FASTE

Fosfor

STOFFER

Koks

450 - 600

Kork

300 - 325

Tre

200 - 400

Kap. 34 - 18

Av tabellen ser vi at bl.a. tenntemperaturen for tre lig­ ger lavt.

Når ildsteder og røykkanaler er dårlig isolert, kan

derfor f.eks. en trevegg nå tenntemperaturen og tennes uten at

den kommer i kontakt med flammer eller gnister.

Det finnes

eksempler på at tre eller brennbart fyllstoff er blitt tent ved temperaturer under +150°C etter langvarig oppvarming (pyrofort treverk). Merk at tenntemperaturen for damper fra de alminneligste

brennbare væskene ligger lavere enn den temperatur hvor f.eks. stål og teglstein sender ut synlig lys, dvs. ved 500 - 600°C.

Det er dessverre en utbredt oppfatning at det er fare for brann bare hvis det finnes glør eller lysende varme overflater.

34.3.3.2 Selvtenning Enkelte stoffer kan, under visse betingelser, tenne av seg selv uten at det tilføres varme utenfra.

Årsaken kan være

at stoffet reagerer langsomt med luft eller luftfuktighet, og at en viss varmemengde frigjøres.

blir denne tendensen forsterket.

Hvis stoffet er finfordelt, Hvis materialet eller dekket

omkring stoffet er varmeisolerende, slik at ikke all varmen

som blir utviklet ledes bort, oppstår det en lokal oppvarming som kan føre til selvtenning.

Selv ubetydelig oppvarming frem­

skynder selvtenningsprosessen. Når det gjelder selvtenningsproblemet, er det mange uklare spørsmål.

Skjematisk kan vi dele årsakene inn i følgende grup­

per: Kjemisk årsak.

Oksydasjon av tørrende oljer eller fett

som er sugd opp i tekstiler, sagspon, torvstrø m.m.

Filler

eller pussegarn som er innsatt med linolje, har lett for å selvtenne.

Fysisk årsak.

Absorpsjon (opptaking) av f.eks. oksygen

i steinkull, trekull og tre som er langvarig oppvarmet. må være spesielt oppmerksom på trekull fra kullovn.

Man

Kullstub

har lettere for å selvtenne enn kull i større stykker.

Kap. 34 - 19

Biologisk årsak.

Når betingelsene for tilvekst er guns­

tige, kan visse bakterier fremkalle en oppvarmingsprosess som

kan starte en selvtenningsreaksjon . avhengig av fuktighet.

Bakterienes aktivitet er

Som eksempel kan nevnes fuktige filler

og høy som er berget under regnvær.

34.4

FYSIKALSKE VIRKNINGER PÅ MATERIALER Under oppvarming tilføres et material varmeenergi, hvilket

gjør at atom og molekylbevegelsen økes.

Materialets kjemiske

struktur endres, og ved tilstrekkelig høy temperatur smelter

materialet.

Men før man når så langt vil krystallinske materi­

aler ofte oppvise en endring av krystallstrukturen. En slik endring oppviser kvarts. Dette mineral beholder sin normale tette struktur opp til 573°C, såkalt a-kvarts. Ved denne temperatur omdannes a-strukturen til en g-struktur som

har større volum.

Forløpet av denne volumutvidelse framgår av

fig. 34.2. Ved oppvarming av et material som inneholder kvarts, bør derfor temperaturnivået 573°C passeres meget langsomt om man skal ha sjanse til å unngå sprekkdannelser.

Fig. 34.2

Varmeutvidelse for kvarts.

Kap. 34

20

Et annet eksempel på en slik strukturendring under opp­ varming har vi ved det rene jern. Ved vanlig temperatur er det kubisk romsentrert, ved 906°C går det over til kubisk

flatesentrert og ved 1401°C blir det igjen kubisk romsentrert inntil det smelter ved 1528°C.

Rene stoffer smelter ved en karakteristisk temperatur, smeltepunktet.

Legeringer har derimot et smelteområde mellom

to temperaturer som er nøye bestemt av legeringens sammenset­ ning.

I dette området er en del av legeringen flytende og en

del fast.

I tabell 34.8 er en del smeltetemperaturer gjengitt.

Amorfe materialer oppviser ikke noe smeltepunkt, men har

et smelteintervall hvor det blir stadig mykere inntil det blir flytende..

Dette er f.eks. tilfelle med glass og mange plast­

materialer.

Tabell 34.8 Smeltepunkt for noen materialer.

34.5

Stoff

Smeltepunkt (°C)

Kvarts

1710

Jern

1528

Stål

1400 - 1450

Glass

800 - 1400

Kobber

1080

Messing

ca 900

Sink

419

Bly

330

Plast

80 - 300

FORANDRINGER AV MEKANISKE EGENSKAPER

På grunn av energitilførselen og den derav følgende økte atom- respektive molekylbevegelse med eventuell krystallstruk-

turendring til følge, vil egenskaper som fasthet, deformasjon, utvidelsesevne osv. påvirkes.

Endringene skal bli omtalt hver

for seg, men det må understrekes at de henger sammen slik at en endring i en egenskap ofte er betinget av endringer i de

andre.

Kap. 34 - 21

34.5.1

Fasthetsegenskaper

Man må skille skarpt mellom materialenes fasthet under

varmepåkjenning og etter avkjøling til vanlig temperatur. I alminnelighet kan en si at fasthetsegenskapene svekkes

I noen tilfelle får man en viss fast-

når temperaturen heves.

hetsøkning innen fallet begynner.

Hvor høyt temperaturen må

heves før materialet blir ubrukbart, må studeres særskilt for hvert material. Som eksempel kan nevnes stål som viser jevnt fallende flytegrense inntil 600°C der flytegrensen er 0, jfr.

fig. 34.3.

MCB',crF

E

2-105 N/mm2

0

Fig. 34.3 Stålkvalitet St. 37 korttidsprøvet i vara tilstand.

Etter varmepåkjenningen kan fasthetsegenskapene for mate­

rialet være forandret.

Størrelsen av denne endring kan bero

på hvor høy temperaturen har vært og hvor raskt avkjølingen har foregått.

I metallindustrien utnyttes dette til endring

av metallenes egenskaper. en rask kjøling.

Således herder man karbonstål ved

I brannteknikken er man også meget interes­

sert i materialenes fasthet etter brannpåkjenning, særlig når

man står overfor tilfellet å måtte vurdere brannskadede kon­ struksjoners brukbarhet.

Man taler da om materialenes rest-

fasthet, som er tilstede etter avkjøling.

F.eks. kan en

Kap.

34 - 22

herding av stål ha gått tapt og likeledes den fasthetsøkning som kan ha foreligget i kaldtrukket stål.

I keramiske materi­

aler og steinmaterialer kan man få et fasthetstap som følge av

sprekkdannelse.

Restfastheten hos sprø materialer er i mange

tilfelle blitt påvist å være mindre enn fastheten ved den høye temperaturen, noe som antagelig beror på at flere sprekker har

oppstått under avkjølingen.

Dette fenomen bør i tilfelle vise

seg ved at strekkfastheten faller sterkere enn trykkfastheten. Fig. 34.4 viser resultatet av et forsøk med granittbetong prøvet

i varm tilstand og etter avkjøling.

Den avkjølte betongen viser

lavest fasthet.

Fig. 34.4

Trykkfasthet av granittbetong i % av fasthet før eksponering for høy temperatur.

34.5.2

Deformasjonsegenskaper

Arbeidslinjens utseende er meget temperaturavhengig for de fleste materialer.

jfr. fig. 34.5.

Elastisitetsmodulen synker en god del,

Bruddforlengelsen 6 øker med temperaturen,

materialene blir mindre sprø.

For bløtt stål er forholdene

gengitt på fig. 34.3 for korttidsbelastning .

Kap.

34

23

Fig. 34.5 E-modul for stål og betong i varm tilstand i % av verdi ved normal temperatur.

34.5.3

Temperaturbevegelser

Fig.34.6 viser lengdeutvidelsen for noen materialer som

funksjon av temperaturen.

Av figuren sees at det er bare for

stål at man kan regne med et lineært forhold mellom utvidelsen og temperaturen (konstant utvidelseskoeffisient).

Sementpasta-

ens kontraksjon beror på at den avgir fuktighet og endog kje­

misk bundet vann. 34.2 foran.

Fig. 34.6

For kvarts er utvidelseskurven vist på fig.

Relativ lengdeutvidelse som funksjon av temperaturen

Kap. 34 - 24

I materialer som er dårlige varmeledere, oppstår det

under oppvarming en ujevn temperaturfordeling og som følge av dette en ujevn spenningsfordeling med trykkspenninger i overflaten,

jfr. fig. 34.7.

Beregnet temperaturfordeling i rund betongpillar.

Fig. 34.7

Ved avkjøling får man motsatte forhold.

Dersom de spenn­

inger som oppstår i overflaten er større enn materialets brudd-

fasthet, vil det oppstå sprekker vinkelrett mot flaten og i en viss dybde parallelt med flaten, altså avflakninger.

Slike

avflakninger er særlig utpreget ved termosjokk, som er en plut­

selig påkjenning på et legemes overflate, forårsaket av en temperatur svært forskjellig fra temperaturen inne i materialet,

Et meget vanlig termosjokk er det som materialet utsettes for

ved påsprøyting av vann under en brann.

Et homogent materials evne til å motstå termosjokk beror på dets evne til å oppta de spenninger som forekommer, hvilket

i sin tur innebærer at materialet må ha en høy varmelednings­ evne (Å) , en høy brudd- eller flytespenning () , en lav E-modu^

og en lav varmeutvidelseskoeffisient (a). ring (se kap. 33 Bestandighet)

Analogt med forvit­

skulle man kunne uttrykke en

termosjokkmotstandsparameter som: Å •

E

a

(34.1)

Kap.

34

25

Jo større denne parameteren er, desto bedre kan materialet motstå et termosjokk. I betong, særlig i relativt fersk betong, kan vann for­

dampe inne i materialet. overflaten i stykker.

Damptrykket medvirker da til å sprenge

Ved spennbetong kan også spenningsbildet

være slik at det bidrar til rask avflakning, ved strengbetong

inn til første lag av stålstengene.

Trådene blir så avspent

og forspenningen går tapt. 34.6

VARMEBESTANDIGE MATERIALER I visse tilfelle kreves det konstruksjoner som kan tåle

høyere temperaturer under lang tid.

Man må da velge materialer

med særlig varmebestandige egenskaper.

I regelen finnes det

ikke noe material eller noen materialgruppe som har alle de egenskaper man skulle ønske seg hos et varmebestandig material.

I alminnelighet kan en si at et varmebestandig material med høyt smeltepunkt bevarer sin fasthet lengre enn et med lavt smelte­

punkt . Den materialgruppen som man oftest tar i bruk er ildfaste keramiske produkter.

De er karakterisert ved høye smeltepunkter

og god kjemisk stabilitet, men de er vanligvis vanskelige og

dyre å framstille og de oppviser liten motstandsevne mot termosjokk og plutselige mekaniske påkjenninger. ved temperaturer opptil 1300°C.

De kan anvendes

Tegl kan brukes opp til ca 450°C murt i kalkmørtel og opp til 550°C murt i kalksementmørtel. For mange metaller gjelder det at de nok har høyt smelte­

punkt, men de mister sin fasthet ved en temperatur som er langt lavere, vanligvis alt ved 500-600°C, og dessuten blir de sterkt oksyderte.

Ved legering av stål med nikkel, krom og kobolt kan

fasthetsegenskapene og oksydasjonsmotstanden bedres vesentlig,

selv om smeltepunktene synker. Vanlig betong anses normalt ikke å kunne tåle varig bruk ved høyere temperaturer enn ca 250°C. Ved spesielle forholds­

regler er det dog mulig å framstille betong som- kan motstå

Kap. 34

temperaturer inntil 1400°C.

26

Av særlig betydning er det for

sådan betong å bruke et velegnet tilslag (nedknust tegl eller andre keramiske produkter, olivinstein). Etter en nedbrytingsfase vil slike materialer ved 900°C og oppover etter hvert

sintre i hop til et nytt, langt mer varmebestandig material.

I tabell 34.9 vises en oppstilling av omtrentlige maksi­ male anvendelsestemperaturer for noen materialer.

Tabell 34.9 Maksimale anvendelsestemperaturer for noen materi­ aler.

Omtrentlige verdier.

Material

Temp.

Varmebestandig betong

1400

Ildfast tegl

1300

Tegl i kalksementmørtel

550

Tegl i kalkmørtel

450

Vanlig karbonstål

500

Gips

45

Tre

50

Vanlig plast

100

Spesialplast

350

(°C)

BRANNTEKNISK BESKYTTELSE

34.7

I de senere år har det foregått en intensiv utvikling

av nye materialer og metoder for brannisolering av konstruk­ sjoner.

Det primære siktemål med brannisolering er å redusere

temperaturstigningen i de bærende deler av en konstruksjon og i mindre grad å hindre en brann i å oppstå.

En legger likevel

vekt på å bruke materialer som selv har god motstandsevne mot

brannpåkjenning. Beskyttelsesmetodene kan deles i metoder der en tar sikte

på isolering av konstruksjonen mot varme og i metoder der en

øker konstruksjonens varmekapasitet og på den måten holder

temperaturen nede.

Kap. 34 - 27

34.7.1

Metoder for isolering

Disse metodene er de mest tallrike og de deles normalt i

våte og tørre metoder. Den vanligste av de våte metodene var tidligere innstøping i betong eller innmuring i tegl.

Dette er nå foreldet både

fordi konstruksjonene blir for tunge og fordi det er uøkonomisk.

De mest aktuelle våtmetodene i dag er sprøyting eller pus­

sing.

Både sprøyting og pussing kan foregå direkte på den over­

flaten som skal beskyttes eller på netting spent omkring kon­

struksjonsdelen.

Dette siste er den sikreste og beste metoden,

men samtidig dyrere.

Sprøyting har foregått med mineralullfibre blandet med sementpasta som bindemiddel.

Sprøytet isolasjon er relativt

myk og tåler liten mekanisk påkjenning.

Det kan i slike til­

felle være aktuelt å pusse utenpå med et mer robust lag.

Pussing foregår med vermikulitt - eller perlittmørtel med sementpasta, kalk eller gips som bindemiddel.

Vermikulitt er

et lett tilslag framstilt ved ekspandering av en spesiell glim-

merskifer som brytes i USA.

Perlitt er tilsvarende en ekspan­

dert lava og har altså ikke noe med bestanddelen perlitt i stål å gjøre. Brannvernmaling er en nyere beskyttelsesmetode som også

hører til de våte metodene.

Denne malingen kan påføres over­

flaten på vanlig måte. Det spesielle med denne malingen er at når temperaturen kommer opp i 100 - 150°C sveller den kraftig og danner skumlignende sjikt som virker varmeisolerende.

En

del fargetyper binder dessuten en del varme i form av sublimeringsenergi.

De tørre metodene synes å være de mest brukte i dag.

Meto­

dene går i korthet ut på å kle inn konstruksjonsdelene med fer­ dige plater, elementer eller lignende.

Kledningen kan festes

til konstruksjonen på mange forskjellige måter.

En må da spesi­

elt tenke på at befestningsmetoden skal kunne motstå høye tempe­

raturer slik at de ikke faller ned etter at brannen har pågått en tid.

Kap. 34 - 28

Det finnes en rekke produkter på markedet som kan brukes.

De mest vanlige er plater og elementer laget av mineralull,

vermikulitt eller gips. Flere funksjoner kan i en del tilfelle kombineres, eksem­ pelvis ved at undertak, skillevegger o.l. samtidig kan brukes som brannisolasjon.

34.7.2

Metoder for øking av varmekapasiteten

Jo høyere varmekapasitet en konstruksjon har, desto lavere blir temperaturøkninger.

Den mest aktuelle metoden for økning

av varmekapasiteten er å bruke rørprofil som fylles med vann. Rørprofilene vil normalt være av stål og de kan direkte danne den bærende konstruksjon.

Ved å forbinde konstruksjonen med et

vannreservoar kan vannet sirkulere under en brann og motstandstiden kan bli vesentlig lengre.

Dette kan eksempelvis gjøres

ved å kople eventuelt sprinkleranlegg til konstruksjonen.

Denne metoden er relativt ny og lite brukt i Norge.

En

plastbedrift på Ørebekk ved Fredrikstad er oppført etter dette prinsippet.

Byggomkostningene blir ikke høyere når sprinklene

monteres direkte til konstruksjonen.

I tidligere tider ble betong brukt både inni rørprofil og utenpå andre profiler for å øke varmekapasiteten.

Denne meto­

den er foreldet av flere årsaker.

34.8

BRANNTEKNISK PRØVING

Det er fra flere hold uttrykt ønske om å få en samlet vurdering av branntekniske egenskaper hos materialer.

Dette

gjelder lov- og forskriftsgivende myndigheter såvel som produ­

senter og brukere av de ulike materialene.

Erfaringene viser

at det ofte er dårlig korrelasjon mellom viktige branntekniske egenskaper som

1) brennbarhet,

2) antennelighet, 3) røyk- og gassutvikling,

Kap.

29

34

4) varmeutvikling,

5) flammespredning og 6) giftighet av forbrenningsgassene. En forbedring av en eller to egenskaper fra ett material

til et annet vil ofte føre til at andre egenskaper blir dårlig­ Det vil derfor være viktig å forsøke å komme fram til et

ere.

system for å karakterisere et material ut ifra alle de brann­

tekniske egenskaper som er relevante og som det er viktig å ta hensyn til i en gitt situasjon.

En slik totalvurdering eller "fellesnevner" for et material vil imidlertid avhenge både av de egenskaper som en velger å ta

hensyn til og de prøvingsmetoder som benyttes for å kvantifisere

de enkelte egenskaper.

Vurdering av de enekelte egenskapene bør

også skje i relasjon til aktuelle krav og forskrifter.

34.8.1

Bestemmelse av brennbarhet

Materialers relative brennbarhet bestemmes ved hjelp av

en vikarierende parameter-, den såkalte Oksygen Indeks.

For et

material er denne Oksygen Indeksen den minste mengde oksygen (i%) i en langsomt stigende strøm av oksygen og nitrogen som såvidt vil underholde forbrenningen på toppen av en vertikalt oppstilt prøvestav i et sylindrisk prøvekammer.

Oksygen Indeks

kan da defineres med følgende likning:

01 - LoJ^LnJ • 100 der [

] betyr konsentrasjon.

i fig.34.8.

(%>

(34-2>

En skisse av apparaturen er vist

Nøyaktigheten ved denne metoden er angitt til ca

± 1% av målt verdi.

Kap. 34 - 30

Fig. 34.8

34.8.2

Skisse av Oksygen Indeks apparatur /3/.

Bestemmelse av antennelighet

Fig.34.9 anvendes.

viser en prinsippskisse av den apparatur som

To prøvestykker med dimensjon 800x300 mm, som på

forhånd er kondisjonert til tilmærmet hygroskopisk likevekt i luft med relativ fuktighet 50 ± 5% ved temperatur 23 ± 2°C,

festes til ubrennbare plater med samme størrelse (mineralar-

mert silikat) og plasseres parallelt overfor hverandre i et

stativ med de lengste sidekanter vertikalt.

Platene er også

forskjøvet vertikalt 125 mm i forhold til hverandre.

Den

laveste platen (plate A) utsettes for en propanflamme, og tiden

bestemmes fra prøvingen starter og til den andre platen (plate

B) er antent, dvs. at flammer klart observeres på begge platene. Denne tiden angir materialenes antennelighet.

Dersom prøve­

stykkene ikke er skikkelig antent innen 30 minutter før prøv­

ingen begynner, avsluttes prøvingen.

Det utføres minst tre

forsøk med hvert material, og dersom plate B ikke i noe tilfelle

antennes innen 30 minutter, betegnes materialet tungt antennelig.

Kap. 34 - 31

Plate B

Plate A Prøvestykker

C-C

Flamme

Fig. 34.9

34.8.3

Skisse av apparatur for NS 3901 /3/.

Bestemmelse av røykutvikling

Metoden er utviklet av National Bureau of Standards, USA, og apparaturen betegnes gjerne NBS Smoke Density Chamber.

Metoden er trolig den mest utbredte når det gjelder å bestemme

røykutvikling hos materialer, og den benyttes ved alle de nor­ diske brannlaboratorier.

En skisse av apparaturen er vist i fig.34.10.

Dannelse

og måling av røyken foregår i et lukket kammer med volum 0,51

m3.

Røykmengden bestemmes ved hjelp av en lyskilde og en foto­

celle.

Prøvestykkene har dimensjoner 75x75 mm, med tykkelse

som anvendt i praksis, og maksimum 25 mm.

Røykdannelsen skjer

ved at prøvestykkene, som monteres med sideflatene vertikalt, eksponeres mot en elektrisk stråleovn eller mot stråleovnen

og en propan/luft brenner med 6 rør.

Stråleoven, som er sylind­

risk, reguleres slik at strålingsintensiteten i gjennomsnitt

Kap. 34 - 32

Fig. 34.10

Skisse av NBS Smoke Density Chamber /3/.

over et sirkulært område på prøvestykket med diameter 38 mm

er 2,5 W/cm2..

For hvert material utføres minst 3 forsøk for

hver av de to prøvingsbetingelser som er nevnt ovenfor. Lystransmisjonen (T)

fra lyskilde til fotocelle registre­

res kontinuerlig som funksjon av tiden fra forsøkets start til

maksimal røyktetthet er oppnådd.

Røyktettheten angis som spes

fikk optisk tetthet (D ) etter følgende likning: - 7T [log

0 o

.Url

l

(34.3) j-

hvor V = volum av røykkammeret (0,51 m3)

L = lengde av lysveien (0,91 m) A = eksponert areal av prøvestykket (42,5 cm2) T = lystransmisjon i %

For å angi røykutviklingen anvendes imidlertid ofte: Dmc: korrigert verdi for maksimal spesifikk optisk

tetthet.

Korreksjon skyldes røykbelegg på glasset

foran lyskilde og fotocelle.

Kap.

34 - 33

Rm: maksimal hastighet for røykutvikling (beregnet som

maksimal økning av Ds pr min. i en to-minutters periode). Rm kan uttrykkes ved følgende likning:

Rm .=

_s±É±21_--- (34.4) L •'max

der t er tiden i minutter fra forsøkets start. 34.8.4

Bestemmelse av overtenning og røykutvikling

Fig.34.11

viser oppbygging av apparaturen.

som skal prøves, må ha en tykkelse på 11 ± 2 mm.

Materialet

Til hvert

forsøk benyttes fire prøvestykker med dimensjon 225x225 mm, og disse skal på forhånd være kondisjonert til tinærraet hygro-

skopisk likevekt i luft med relativ fuktighet 50 ± 5% ved temperatur 23 ± 2°C. Prøvestykkene plasseres på tre av veggene

Fig.

34.11 Skisse av apparatur for NS 3903 /3/.

Kan. 34

34

og i toppen på brennkammeret som deretter lukkes.

Den mengde

primær- og sekundærluft og propangass som er bestemt ved kali­

brering tilføres brennkammeret, og gassen antennes ved hjelp av en glødetråd.

Gjennom hele prøvingsperioden måles temperatur og røyktetthet kontinuerlig i de forbrenningsgasser som strømmer ut

gjennom syklonen i fig.34.11.

Prøvingen skal foregå i 10 minut­

ter, 5 minutter eller kortere tid dersom prøvematerialene ikke lenger tilfredsstiller de branntekniske krav.

Det utføres minst

For å bestemme riktige luft- og propanmengder

3 prøvinger.

kalibreres apparaturen med ubrennbare plater med densitet ca

750 kg/m3.

Røykgasstemperaturen skal da som funksjon av tiden

følge en gitt kalibreringskurve.

Resultatene foreligger i første omgang som kurver over

røykgasstemperatur og røyktetthet som funksjon av tiden. 34.8.5

Bestemmelse av flammespredning

En skisse av apparaturen er vist i fig. 34.11. Et prøve­ stykke med dimensjon 400x1000 mm plasseres i en vinkel på 30° med horisontalplanet mellom to luftkanaler med vifter.

Før

prøvingen startes de to viftene, og luftstrømmen reguleres til

fastsatt hastighet (2 eller 4 m/s).

Deretter stenges luft­

strømmen helt.

Fig. 34.12

Skisse av apparatur for NS 3905 /3/

Kap.

34

35

Som tennkilde benyttes en trekrybbe

(vekt 40 ± 2 gram

ekslusive stifter) som er beskrevet i NS 3905.

Denne antennes

i 30 sek. ved hjelp av en gassbrenner som vist i fig.34.13. Bålet plasseres deretter på prøvestykket slik at senteret er 100 mm fra prøvestykkets nedre kant, og slik at luftstrømmen

fritt kan passere under ribbene. luftstrømmen igjen.

Etter 15 sek. tilsluttes

Prøvingen pågår til flammer og glør i

trebål og/eller prøvestykke er slokket.

Prøvestykkene skal

på forhånd kondisjoneres til tilnærmet hygroskopisk likevekt i luft med relativ fuktighet 50 ± 5% ved temperatur 23 ± 2°C.

Det utføres minst 3 parallelle forsøk.

Fig. 34.13

Utrustning for antennelse av trebål

(tennkilde)

ved prøving etter NS 3905 /3/.

34.8.6

Bestemmelse av giftighet av forbrenningsgassene En analytisk bestemmelse av forbrenningsgassenes sammen­

setning sier ingen ting om disse gassenes giftighet for mennes­

ker.

For å kunne vurdere dette må en benytte seg av forsøk

Kap.

med levende dyr.

34

36

Iblant anvendes resultatene fra gass-analyser

til å beregne en toksisitetsindeks hvor en kombinerer den aktu­

elle gasskonsentrasjon fra et material og den fare som vedkom­ mende gass representerer for et menneske.

En måte å uttrykke

denne toksisitetsindksen for hver enkelt gasskomponent i, er:

7=e\ Ti ’

1000 eller R m

> 500, settes Nn umc ^m

og Nr

De resultater som beskriver røykutvikling for et material

er avhengig av prøvens tykkelse.

For innbyrdes sammenligning

av rene materialer bør en derfor benytte en standard "referansetykkelse". 34.9.3

Giftighet av forbrenningsgassene

Toksisitetsindeksene vil for alle gasser teoretisk kunne ligge i intervallet 0
1 tilsvarende gis verdien 0.

For videre å unngå

en lineær skala i det aktuelle intervall, har en valgt å benytte følgende likning for vurdering av materialer m.h.t. giftighet:

Nt = -100 sin(18 log T)

(34.10)

Denne likning er illustrert i fig.34.17, sml. fig.34.15. 34.9.4

Samlet vurdering

Ved hjelp av likningene

(34.7), (34.8), (34.9) og (34.10) kan

en vurdere ulike materialer m.h.t. en enkelt egenskap.

Disse

likningene kan sies å ha innebygde vekttall, som resulterer i et bedre skille mellom mange aktuelle materialer.

Imidlertid

vil det, for en samlet vurdering, være nødvendig å kombinere

disse likningene.

Dette kan presenteres på to ulike måter.

Kap. 34 - 41

Fig. 34.17

Kurve for vurdering av materialer m.h.t. giftig­

het av forbrenningsgasser /2/.

En summering av de verdier som framkommer ved bruk av

likningene (34.7), (34.8), (34.9) og (34.10) vil gi følgende ut­ trykk :

NF = T 1 Ni ’ r c + -

100 r_. „ n ^-r , 4 j^sin 0,9 01 +

(1

* NT>

Dmc x2 , 1000 +

,, (1

=

Rm x 2 500

- sin(18 log T)

(34.11)

NF kan betegnes som et materials "branh-indeks". gir en N^-verdi i intervallet 0
1 r-1 r-1 U_| X)r-X)X:4ar-|1-|'-''-'Xl tn fl fl æ -rl rfl -H > -H fl CU flW-flæ æ mSHU-ir-iM-iM-ic!^^: o^-Hcn (Dfl(Dfl(l)U10545-lOCJr-|r-l( U(tf 54 54X55-ix:5MflQ4OO>>>iP4Jr-l « E-» E-i E-i ~ æ fa « fa fa z fa in ø § § 6 6

6 E

0) tn -ri Q) X3 —

fl nj 5-1 u

*gjelder tykkelse

Kap. 34 - 45

Tabell 34.12

Toksisitetsindekser for noen enkelte materialer.

Material

Toksisitetsindekser T

T

Furu

0,045

HCN —

Furu (impregnert)

0,038

Gran

CO

T

T

HC1 0

0,045

—

0,010

0,048

0,031

—

0

0,031

Gran (beiset)

0,053

—

0

0,053

Kryssfiner

0,034

—

0

0,034

Trefiberplate (hard)

0,062

—

0

0,062

Trefiberplate (halvhard)

0,054

—

0

0,054

Trefiberplate (asfaltimpregnert)

0,042

—

0,016

0,058

Sponplate

0,053

—

0

0,053

Kork (vegg)

0,032

—

0

0,032

Kork (gulv)

0,022

—

0,050

0,072

PVC (hard)

0,011

0,222

0,233

PVC (gulv)

0,014

0 —

0,122

0,136

Nylon (gulv)

0,023

—

0,007

0,030

Polystyrén

0,009

0

0

0,009

Steinull

0,001

0,003

0,004

Glassull

0,001

0,003

0 —

0,004

Ved et virkelig branntilfelle vil også andre, ikke-mål-

bare forhold influere på mennesker og deres mulighet for rømming.

Det er f.eks. gassenes lukt, irritasjon av øyne og

slimhinner, stimulerende eller bedøvende effekt, osv.

I tabell 34.13 er beregnet korrelasjonskoeffisienter mel­

lom de enkelte egenskaper.

Verdiene 1 og -1 betyr direkte og

entydig korrelasjon mellom to egenskaper, mens 0 betyr ingen korrelasjon.

Vi ser da at det er dårlig korrelasjon mellom de

branntekniske egenskaper som her er presentert (bortsett fra mellom D

og R ).

Dette er av betvdning ved en total vurde-

ring av materialers branntekniske egenskaper.

Kap.

Tabell 34.13

34 - 46

Korrelasjonskoeffisienter mellom noen enkelte

egenskaper. D

01

mc

R

m

T

1,00

-0,13

-0,10

-0,05

^mc

-0,13

1,00

0,72

0,14

Rm

-0,10

0,72

1,00

0,16

T

-0,05

0,14

0,1.6

l.,00

01

34.10.2 Samlet vurdering ved hjelp av brann-indeks Ved summering av indeksene for de enkelte egenskaper som

vist i likn. (34.11) og senere bruk av de enkelte N -verdier, £ er det ikke mulig å ta spesielt hensyn til en enkelt egenskap.

Videre kan f.eks. to materialer med vidt forskjellig røykutvik­ ling få samme NF-verdier pga. dårlig korrelasjon mellom de enk­ elte egenskaper.

Slik Np er fremstilt i likn.(34.11)

vil en

også få en innbyrdes sammenligning av alle materialer uavhengig av bruksområde.

Likn. (34.11) kan modifiseres ved å innføre

spesielle vekttall for hver enkelt egenskap, vekttall som vari­

erer avhengig av materialets bruksområde.

Fastsettelse av slike

vekttall er imidlertid vanskelig og gjenstand for vurdering, og innenfor ett og samme bruksområde vil en fortsatt ha ett

enkelt tall for å karakterisere et material (N„). £ En total brannindeks (Np) for de undersøkte materialer er beregnet i tabell 34.14.

En ser umiddelbart at Np varierer

med materialtykkelse pga. variasjoner i NDmc og NRm«

Dette

kan ha fordeler eller ulemper avhengig av hvordan resultatene

skal benyttes. Ved en total vurdering av flere egenskaper hos de rene

materialer bør en basere seg på en standard "referanse-tykkelse" for de egenskaper hvor prøvingsresultatet er avhengig av material tykkelsen.

Ved vurdering av de enkelte ferdige produkter vil

det være en fordel at en også er i stand til å ta hensyn til tykkelsen, som har direkte sammenheng med mengde brennbart mate­

rial pr. m2.

Kap.

Tabell 34.14

34-47

Brannindeks og brannkarakteristikk for noen enkelte materialer.

Material

Brannin­ deks , Np

Brannkarakteristikk, Nc

„ 15 mm Furu 21 mm

50 45

3 3

: :

4 4

: :

7 6

: :

4 4

Furu (impregnert)

49

3

:

5

:

6

:

4

„ 15 mm Gran 21 mm

55 57

3 3

: :

6 6

: :

7 8

: :

4 4

Gran (beiset)

58

3

:

7

:

8

:

3

£. 5 mm Kryssfiner 2 20 mm

59 52

3 3

: :

8 6

: :

7 5

: :

4 3

Trefiberplate 3,5 mm (hard) 11 mm

51 48

3 3

: :

7 6

: :

6 5

: :

3 3

Trefiberplate (halvhard)

49

3

:

6

:

5

:

3

Trefiberplate (asfaltimpregnert)

56

3

:

6

:

8

:

3

Sponplate

54

3

:

6

:

7

:

3

Kork (vegg)

57

3

:

6

:

8

:

4

Kork (gulv)

38

3

:

3

:

4

:

3

PVC (hard)

50

6

:

4

:

7

:

2

PVC (gulv)

24

3

:

0

:

2

:

2

Nylon (gulv)

48

3

:

4

:

6

:

4

Polystyrén

24

2

:

0

:

0

:

6

Steinull

92

9

:

9

:

9

:

6

Glassull

92

9

:

9

:

9

:

6

Np-verdiene i tabell 34.14 gir raskt en innbyrdes vurder­

ing og rangering av de enkelte materialer.

De svakheter og

begrensninger som er nevnt ovenfor kan illustreres ved å se på PVC (hard), furu og trefiberplate (hard).

Dette er vidt for­

skjellige materialer, og de har store variasjoner i de enkelte

indekser (NQI = 32 - 67, NT = 20 - 41).

brann-indeks Np = 50 eller 51.

Likevel får de alle

Mer generelt ser en av tabell

34.14 at det m.h.t. den beregnede brannindeks ikke er noe spesi­ elt skille mellom store materialgrupper som plastmaterialer og

trebaserte materialer.

Kap. 34

34.10.3

48

Samlet vurdering ved hjelp av brann-karakteristikk

Det andre alternativet for en total vurdering av materi­

aler m.h.t. branntekniske egenskaper er vist i likn. (34.12). Innenfor de enkelte egenskaper grupperes materialene i 10 klas­

ser, 0 til 9.

Dette gir ikke en helt ut nyansert gradering,

men må antas å være tilstrekkelig for praktisk bruk.

Pga. lik­

ningene for de enkelte indekser, som kan sies å ha innebygde

vekttall, er ikke klasseinndelingen lineær.

Omfanget av de

enkelte klasser varierer med prøvingsresultatet (godt eller dårlig material) og med hvilken egenskap som undersøkes.

Der­

med får en best nyansering mellom materialene nettopp i de områder hvor en i praksis har de fleste og/eller mest interes­ sante resultater.

Ved bruk av en brannkarakteristikk (Nc)

for et material

får en straks et "bilde" av dette.materialets branntekniske egenskaper, og en kan hele tiden ta spesielt hensyn til en

eller flere av enkeltegenskapene.

Rekken av enkeltindekser

i likn. (34.12) kan utvides etter behov.

Det er selvsagt nød­

vendig at en hele tiden beholder samme rekkefølge for de enk­ elte indekser. Resultatene i tabell 34.12

viser at også den beregnede

brannkarakteristikk kan være svært avhengig av materialets

tykkelse når det gjelder røykutvikling.

Som nevnt for brann-

indeksen (N^,) bør derfor også brann-karakteristikken baseres

på en standard "referanse-tykkelse" ved sammenligning av rene

materialer, mens det ved karakterisering av ferdige produkter er en fordel at det også tas hensyn til tykkelsen.

Det vil gå for langt å diskutere brannkarakteristikken

for de enkelte materialer eller produkter.

Som eksempel kan

en se nærmere på tre materialer som har samme brannindeks. PVC (hard, 1,7 mm)

6

4

:

7

:

2

Furu (15 mm)

3

4

:

7

:

4

Trefiberplate (hard, 6,5 mm)

3

7

:

6

:

3

Kap. 34 - 49

En ser da umiddelbart at det aktuelle PVC-materialet er best m.h.t. Oksygen Indeks og dårligst når det gjelder giftig­

het av forbrenningsgassene.

Videre at de to materialer av furu

og PVC kommer i de samme klasser m.h.t. røykutvikling.

Og til­

svarende kan en rangere alle de andre materialer avhengig av hvilke(n) egenskap(er) en legger vekt på.

LITTERATUR /!/

Hultqvist, S., Persson, G.: "Brann og varme".

Universi­

tetsforlaget, Oslo, 1973. /2/

Hovde, P.J., Gundersen, W., Høyland, 0.:

"Karakterisering

av bygningsmaterialer på bakgrunn av Oksygen Indeks, røyk­ utvikling og giftighet av røykgassene".

SINTEF, Norges

Branntekniske Laboratorium, Trondheim, 1979. /3/

Hovde, P.J.:

"Branntekniske egenskaper hos kledninger og

overflatesjikt" .

SINTEF, Norges Branntekniske Laborato­

rium, Trondheim, 1979.

/4/

Markestad, A., Maage, M.:

"Bygningsmateriallære Bind 2".

Tapir, Trondheim, 1978.

/5/

Hillerborg, A. og flere: "Allmån kurs i byggnadsmateriallåra Del I".

Tekniska Hogskolan i Lund, 1975.

■

Kap. 35

1

Kap. 35

PERMEABILITET

35.1

VÆSKEPERMEABILITET Materialenes gjennomtrengelighet for væsker og da spesi­

elt vann har særlig interesse for porøse materialer som betong, tegl, naturstein, sand og andre jordarter når de forekommer i konstruksjoner som utsettes for væsketrykk.

Det er bare den åpne, sammenhengende del av poresystemet

som kan lede væske.

Den væskemengde som kan passere gjennom

en materialtykkelse, beror foruten på trykket også på porenes kontinuitet, størrelse, porefordeling samt porenes indre areal og kapillareffekter.

Vi kan derfor ikke vente å finne noen

direkte sammenheng mellom materialenes porøsitet og permeabi­ litet slik porøsiteten tidligere er definert.

Forskjellige

typer av porøse materialer med samme porøsitet kan derfor ha meget ulik permeabilitet såvel overfor væsker som gass.

For

materialer av samme grunnleggende struktur som f.eks. varier­

ende typer betong, vil derimot permeabiliteten øke når porøsi­

teten øker.

Kunstig innførte luftporer i betong vil imidlertid

normalt redusere permeabiliteten.

Hvis et material utsettes for et væsketrykk med en trykk­ forskjell Ap (N/m2) over en viss tykkelse d (m), kan den trans­

porterte væskemengde (Gv) pr. arealenhet og tidsenhet beregnes v.h.a. Darcys lov:

Gv = IT * F

(35.1)

(kg/m2s)

hvor kv = materialets permeabilitetskoeffisient for

n

aktuell væske (kg/m) = væskens dynamiske viskositet

(Ns/m2)

Hvis den aktuelle væske er rent vann, er r) ved f.eks. 20°C 0,0010 Ns/m2 og ved 5°C 0,0015 Ns/m2.

Kap.

35-2

Vi bør være klar over at Darcys lov bare gjelder for

lave strømningshastigheter, dvs. i området for laminær strøm­ ning hvor Cv er proporsjonal med Ap. I tabell 35.1 er det oppført permeabilitetskoeffisienter

for vann for en del bygningsmaterialer. Det store spredningsområdet som er angitt, er blant annet uttrykk for at perme­

abiliteten ikke er noen konstant størrelse, men er avhengig av prøvebetingelsene.

Tabell 35.1 Omtrentlige permeabilitetskoeffisienter for vann ved 20°C for en del bygningsmaterialer. k

Material

v

[10*16 • kg/m]

Granitt

0,6-

3

Betong, v/c 0,5-0,6

0,3 -

9

Betong, v/c 0,6-0,7

3

-

200

Betong, v/c 0,7-0,8

9

-

520

Betong, v/c 0,8-1,0

45

. -

750

Betong, v/c 1,0-1,2

300

- 210000

2000

- 150000

30000

- 300000

Sandstein Fasadetegl

300000000

Sand

35.2

GASSPERMEABILITET Materialenes tetthet overfor gass, og da spesielt luft, er

f. eks. av betydning for å bedømme risikoen for ufrivillig ventilasjon gjennom vegger.

Av permeabiliteten kan en også

bedømme risikoen for konveksjon i isolasjonsmaterialer.

Stor

gasspermeabilitet hos et material betyr som regel også stor

gjennomtrengelighet for væskedamp(diffusjon).

ikke alltid det motsatte.

Derimot gjelder

Vi skal også være klar over at tett­

het for væsketrykk ikke garanterer tetthet for gasstrykk.

Kap.

35

3

Gasspermeabiliteten beror på materialets porøsitet,

porestørrelser og porestruktur .

Væskemengden i materialet

spiller også en stor rolle fordi væske i porene kan hindre gassen i å passere. Hvis et material med areal A m2 utsettes for et gass-

trykk med trykkforskjell Ap (N/m2) over en viss tykkelse d (m), kan gasstransporten (G^) pr. tidsenhet beregnes av flg. likn.:

Gg = kg ’ AP d A

(m3/h)

(35.2)

hvor kg = spesifikk gasspermeabilitet (m^/h^N)

Liksom likn. (35.1)

gjelder likn. (35.2)

kun for lave

strømningshastigheter.

For meget tynne skiver av visse materialer gjelder ikke alltid sammenhengen mellom tykkelse og permeabilitet, hvilket

skyldes at overflaten ikke alltid har samme egenskaper som materialet forøvrig.

Dersom porene er store og materialtykk-

elsen liten, kan det til og med finnes direkte gjennomgående

porer.

For meget tynne produkter som papp, trefiberplater osv. kan det derfor være mere formålstjenlig å angi en verdi som gjelder for produktet med den aktuelle tykkelse.

Strukturen

i overflatesjiktet for disse materialene er ofte svært for­ skjellig (tettere) fra strukturen i resten av materialet.

Gjennomtrengeligheten for gass gjennom A m2 av en plate utsatt for en trykkdifferens Ap (N/m2) kan derfor skrives:

Gg = kG ’ Ap ‘ A

(m3/h)

(35.3)

Proporsjonalitetsfaktoren kG kalles gasspermeabilitets-

tallet og angir den transporterte luftmengde pr. tids- og

arealenhet samt trykkenhet gjennom platen.

Kap. 35

Foruten at likn.

4

(35.3) brukes på tynne, plateformede

produkter anvendes den også som tidligere nevnt, hvor vi har gjennomgående porer i materialet. For en homogen struktur i et material er den spesifikke

gasspermeabiliteten k^. = d • k^.

En del omtrentlige verdier

og k^, fremgår av tabell 35.2 og 35.3. Verdiene gjelder g G når gassen er luft, og koeffisientene benevnes da ofte k^ og

for k

Tabell 35.2

Omtrentlige verdier på spesifikk luftpermeabili-

tet k0 for en del bygningsmaterialer. X/

Material

Romdensitet

(kg/m3) 1470

Tegl

Spesifikk luftperme-

abilitet k0

2 - 20 x 10"5

Kalkmørtel

2

Kalksementmørtel

o

Sementmørtel

0,1 - 0,5 "

Betong

0,1 - 3,0 " 15 - 20

Mineralull, lette kvaliteter

10 - 50

m o

0,5-3

l

Lettbetong

Celleplast av polysteren

1-20

in

m o

II overflaten

0,6 - 3,0

1

1 overflaten Mineralull, tunge plater

(nC/h^N)

100 - 150

1 overflaten

0,05 - 0,2

11 overflaten

0,1 - 0,4

Kutterspon

løst ifylt

100

2,3

komprimert

160

0,2

fl

240

0,04

fl

360

0,01 - 0,02

Kap.

35-5

Omtrentlige verdier på luftpermeabilitetstallet

Tabell 35.3

kL for bygningsplater og papp.

Material

Tykkelse

Romdensitet

(mm)

(kg/m3)

Luftpermeabilitets­ tallet kT

Kryssfinér

4,4

600

0,5 x 10"**

Sponplate

10,2

630

40 x 10"*1

(m3/h.N)

Trefiberplate

hard

3,5 - 6,5

1000

halvhard

3,3 - 6,6

900

2 - 4 x 10"“

porøs

10 - 19

280 —

80 - 300 x 10"**

—

O

1

4^

Forhudningspapp

0,4

o

Celluloseråpapp

0,5 - 1,0 x lO-1*

200 x 10“**

0,5 - 5 x 10"“

De tallverdier som er angitt i tabell 35.2

der for selve materialet.

og 35.3 gjel­

I aktuelle konstruksjoner er det

ofte fuger o.l. som slipper igjennom mest luft.

Som eksempel

kan nevnes at et vanlig nøkkelhull slipper igjennom like mye

luft som 50 m2 av 1% steins pusset teglvegg.

For en murkon-

struksjon er muringens utførelse og heft mellom stein og mørtel derfor av avgjørende betydning.

Ved prøving av en \ steins

upusset og dårlig utført teglvegg kan kT være 600 • 10"** m3/h*N, mens vi for en godt murt vegg med godt utfylte fuger kan ha en

kT = 10 • 10"** m3/h-N. J-J

LITTERATUR

/!/

Markestad, A., Maage, M.: "Bygningsmateriallære".

Tapir,

Trondheim, 1978. /2/

Hillerborg, A. og flere: "Allmån kurs i byggnadsmaterial— låra".

Tekniska Hogskolan i Lund, 1975.

Kap. 36

Kap. 36

KERAMISKE

1

MATERIALER »

GENERELT

36.1

I tradisjonell betydning er keramiske materialer en

fellesbetegnelse for materialer framstilt av leire og diverse

andre oksydmaterialer.

Etter forbehandling og formgiving i

plastisk tilstand ved romtemperatur, brennes råmaterialet ved Derved oppnås de en temperatur på omkring eller over 1000°C.

endelige materialegenskaper. I den senere tid har imidlertid betegnelsen keramiske

materialer fått en videre betydning som omfatter alle ikkemetalliske, uorganiske materialer, dvs. også materialer så som

glass samt sement-, kalk- og gipsbundne materialer.

Her skal

vi imidlertid benytte den tradisjonelle betydning av betegnelsen keramiske materialer. De bygningsteknisk viktigste produktene er teglprodukter

så som stein, rør og takpanner samt keramiske fliser, sanitær-

porselen og ildfaste materialer.

Alle disse produktene er

basert på leire.

Teglprodukter har tradisjoner som går flere tusen år til­

bake i historien.

Det er påvist bruk av teglstein som bygnings­

material for mer enn 5000 år siden, og prinsippene for fram­

stilling og bruk har ikke endret seg i særlig grad.

De mest

kjente teglkonstruksjonene fra oldtiden finnes i Mesopotamia og Babylon, der f.eks. Babels tårn og kong Nebudkanesers paradegate ble utført i tegl for ca 2500 år siden.

I de nordiske

landene regnes teglframstillingen å ha startet for ca. 800 år

siden. Årsaken til den tidlige utnyttelse og bruk av teglmaterialet henger nøye sammen med at råmaterialet er så lett tilgjenge­

lig i jordsmonnet.

viktig faktor.

Den enkle framstillingsmåten er også en

Tabell 36.1 viser den gjennomsnittlige sammen­

setning i de øvre lag av jordskorpen og hos en vanlig tegl. Som vi ser av denne tabellen er sammensetningen av de enkelte elementer i tegl temmelig lik det vi ellers finner i jordskorpen.

36-2

Kap.

Tabell

36.1

Sammensetning av jordskorpen og en normal tegl.

Vektdel (%)

Element

Tegl

0

49,4

48,8

Si

25,8

30,3

Al

7,5

11,3

Fe

4,7

Ca

3,4

2,1 3,3

Na

2,6

0,5

K

2,4

2,0

Mg

1,9

H

o

kø

Jordskorpen

1,1 —

Ti

0,6

0,6

36.2

RÅMATERIALET

36.2.1

Leire

Ekte leirer er som regel dannet av forvitrede feltspatrike bergarter.

Slike leirer har vi lite av i Norge.

De

norske leirer består vesentlig av utvaskede finmaterialer fra

morener som ble dannet under siste istid.

Kjemisk består

leirene av kisel-, aluminium- og jernoksyder i forskjellige kjemiske forbindelser.

Norske leirer er kalkfattige, og det

er hittil ikke registrert noen forekomster av leire som ved brenning gir gul teglstein.

For at en leire skal være gul-

brennende må det være minst 18% CaCO3. De fleste av våre leirer er marine, dvs. at de er avsatt

i salt- eller brakkvann, og vil derfor inneholde større eller mindre mengder løselige salter.

Disse salter kan gi misfarg-

ing på teglsteinen, men må ikke forveksles med de salter som

slår ut på veggen i ferdig murverk.

Disse siste skyldes

vesentlig salter som tilføres veggen under oppmuringen, først og fremst fra mørtelen.

De salter som finnes i leiren, vil

Kap. 36-3

som regel gi misfarging på steinen og vil etter brenning være omdannet til nye mineraler som kan virke som et grått fast-

brent belegg. Erfaringsmessig har det vist seg at en har de mest egnede

leirer i de øverste 4-5 meter.

Som en følge av dette vil der­

for et moderne teglverk med stor kapasitet trenge relativt store

områder for driften.

For en bedrift med en årskapasitet på 15

mill, stein vil det årlig medgå 30 000 m3 leire, eller 6 mål,

ved en gravedybde på 5 m.

Norske leirer er vanskelige å brenne fordi de som regel har et meget kort sintringsintervall. Selv en forskjell på 20°C i topptemperatur kan derfor gi vesentlig forskjellig resultat for det ferdige produkt.

Forhåndsundersøkelser i laboratorium

er derfor nødvendig før en forekomst tas i bruk.

36.2.2

Tilsetningsstoffer

For å tilfredsstille de kvalitative krav som settes til

moderne byggematerialer, må leirene ofte tilsettes forskjellige stoffer, avhengig av råstoffets karakter eller mangler.

Fete

leirer tilsettes magringsmidler som sand, chamotte eller sagflis.

Dette gjør de plastiske egenskapene dårligere, men reduserer svinnet (fig. 36.1).

Gjenværende fuktinnhold (vekt-%)

Fig. 36.1

Svinn av teglleire.

Kap. 36-4

Ved for magre leirer kan det hjelpe å sette til organiske forbindelser for å bedre plastisiteten.

Saltholdige leirer

tilsettes bariumforbindelser for å omdanne de vannløselige sal­ ter til tungtløselige forbindelser.

Jernfattige leirer kan

tilsettes jernoksyd for å gi en dypere rødfarge.

FRAMSTILLING

36.3 36.3.1

Generelt

Framstillingen skjer i prinsippet på samme måte for all bygningskeramikk.

Prosessen kan oppdeles i fem ulike stadier:

1. Råstoffbehandling

2. Forming 3. Tørking 4. Brenning og avkjøling 5. Sortering I det følgende skal disse fem stadier kort omtales hver

for seg, men omtalen begrenses til framstilling av tegl.

Helt

fram til det siste tiåret har teglframstillingen hatt en domi­

nerende karakter av håndverk.

Nå har imidlertid framstillingen

blitt en høyt mekanisert industri.

36.3.2

Råstoffbehandling

Leiren tas i leirtaket med forskjellige slags utstyr.

Mest anvendt er gravemaskin.

Det er viktig å ta ut leirmassen

slik at man er sikret best mulig blanding av de forekommende

leirer. På selve verket passerer leiren først en kassebeskikker eller dobbeltakslet blander hvor eventuelle tilsetningsstoffer

iblandes.

Videre går leirene gjennom kollergang og valseverk

hvor steinpartikler knuses ned.

Er det mye stein i leirene,

brukes også et valseverk som skiller ut stein før kollergang.

Kap. 36-5

Leirene er nå ferdig bearbeidet og klar til forming.

Ved

enkelte verk blir leiren transportert til et sumphus hvor den lagres i 1-3 mnd.

Ved denne lagringen blir bl.a. leirens plastisitet og formbarhet bedre.

Dette vil vanligvis resultere i bedre

kvalitet på den ferdige teglstein.

Ved de strenge vintrer

vi har her i landet, vil et sumphus også føre til at verket

kan drive hele året uten særlige problemer.

Tidligere var

det meget alminnelig at norske verk bare var i drift 8-10 mndr.

i året.

Dette hang forøvrig sammen med at byggevirksomheten

om vinteren var meget liten.

I dag er imidlertid forholdene

helt annerledes, og verkene har derfor gått over til helårsdrift.

36.3.3

Forming

Formingen av leire foregår for det meste maskinmessig, men det er fortsatt enkelte verk som leverer håndbanket stein.

Av den maskinframstilte stein er det to hovedtyper, maskinbanket og strengpresset.

Den maskinbankede stein framstilles

etter samme prinsipp som den håndbankede ved at hver stein slås i en form.

Denne metoden er nå i ferd med å gå ut.

Strengpresset stein framstilles ved at leiren presses som

én streng ut gjennom et munnstykke med dimensjoner ca 250x120 mm2. I tilknytning til pressen er det et kappebord som kapper strengen i den rette materialtykkelse.

Visse takpanner, gulv- og veggfliser samt porselen blir

formet ved våtpressing i gipsformer.

Slik pressing både i

former og gjennom munnstykke gir opphav til en viss anisotropi.

Materialet blir tettere vinkelrett på presseretningen enn paral­

lelt med denne samtidig som det oppstår en viss sjiktstruktur. Råproduktenes dimensjoner må dessuten tilpasses med tanke på det svinn som oppstår ved tørking og brenning. Hvis det benyttes tørrpressing av et finpulverisert rå­

material under høyt trykk, gir dette mere dimensjonsnøyaktige

produkter ettersom uttørkingssvinn ikke oppstår.

Denne metoden

brukes ved framstilling av gulv- og veggfliser foruten en del

spesielle teglsorter.

Kap. 36-6

Tørking

36.3.4

Etter kapping blir steinene transportert til et tørkean-

legg.

Tidligere foregikk tørkingen på overdekkede tørkeplasser

ute i friluft.

I dag har de fleste teglverk kunstige tørker.

Av disse finnes det flere sorter, men de kan deles i to hoved­ typer: kammertørker og tunneltørker.

Forskjellen på disse er

at i en kammertørker står steinene i ro inn i kammeret.

mens varm luft blåses

Temperatur og fuktighetsinnhold for luten vari­

eres etter hvert som tørkingen skjer.

I en tunneltørker trans­

porteres steinen på vogner gjennom tørken.

Vognene passerer

der soner med forskjellig temperatur og fuktighet.

Generelt kan sies om begge systemer at en starter tørk­ ingen ved relativt lav temperatur og høyt fuktighetsinnhold. Enkelte leirtyper har lett for å få sprekker eller riss under

tørkingen.

Dette gjelder særlig leirtyper som har stort ut-

tørkingssvinn (6-7%).

Ved slike tilfelle må en tørke meget

forsiktig og ta spesielle forholdsregler. Tørketiden for ulike keramiske produkter varierer mellom

1 og 7 døgn.

En nøyaktig kontrollert tørking er svært viktig

for den kvaliteten som oppnås.

Ved tørking skjer det et svinn

av leiren som varierer mellom 3 og 10%, og dette svinnet har

et prinsipielt forløp som vist i fig. 36.1,

Vannet som finnes i leiren etter formingen kan inndeles i følgende former:

1. Fritt vann som overskuddsvann mellom de enkelte leirpartikler

2. Fritt vann som porevann i de porer som er igjen når overskuddsvannet tørkes ut og leirpartiklene er i

kontakt med hverandre 3. Adsorbert vann på utvendige og innvendige partikkel-

overflater

4. Strukturelt bundet vann

Kap. 36

7

Den vesentligste del av svinnet skjer når overskuddsvannet

mellom leirpartiklene tørker ut (fig. 36.2).

Svinnets omfang

i volum tilsvarer omtrent volumet av uttørket vann.

Når svin­

net er ferdig, har dette altså ikke medført poredannelser i massen.

Porer oppstår først når porevannet tørker ut (fig.

36.3).

Fig. 36.2

Fig. 36.3

Mekanismen ved svinn av leire-.

Volum- og porevolumendring ved svinn av leire.

Det er viktig at tørkingen blir tilpasset slik at det

ikke oppstår ujevnt svinn pga. fukt- og temperaturgradienter

med fare for sprekkdannelser.

Slike sprekkdannelser vil for­

ringe materialets fasthet og bestandighet.

Kap. 36

36.3.5

8

Brenning

Brenningen foregår til temperaturer omkring 1000°C avhengig av leirens karakter.

Ovnene er enten av den eldre ringovntypen

eller moderne tunnelovner. I en ringovn blir steinen stablet i ovnen etter et bestemt

system.

Varmen vandrer her rundt ovnen, og en slik rundgang

tar vanligvis 7 til 10 døgn.

Etter at varmebølgen er passert,

kjøles ovnen ned, og arbeiderne går da inn og tar ut stein mens

ubrent stein fylles bak.

Prinsippet for en ringovn er vist i

fig. 36.4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Fig. 36.4

Innkjøring av tørket tegl Setting av tørket tegl Skillevegg Røykkammer Forvanningssone Fyrsone Kjølesone Uttak av brent tegl Utkjøring av brent tegl Forbrenningsluft Uttak av varmluft for tørking Røykgasser Skorstein Fyråpning Røykgassuttak Røykgasskanal Ovnsport

Prinsipp for en ringovn.

Kap.

36

9

Ulempene ved dette system er mange, særlig kan det for arbeiderne ofte være en usunn arbeidsplass med mye støv og

ubehagelig temperatur.

Dessuten er arbeidet urasjonelt.

Tunnelovnen inneholder i prinsipp de samme temperatursoner som ringovnen, men her er temperatursonene konstante mens mate­

rialet passerer gjennom ovnen på vogner.

tunnelovn er vist i fig.

36.5.

Prinsippet for en

Her er temperaturfordelingen

også antydet.

Røkgass

Til tørkerne

Forvarmet luft il brennere

r Forvanningssone-^ Råtegl

Fig. 36.5

----- -

Brennere

Kjølesone-* J —----Forbrenningsluft

Prinsipp for en tunnelovn med temperaturfordeling .

Tunnelovnene gir en hurtigere (2-3 døgn) og bedre kon­

trollert brenning, hvilket resulterer i en mere homogen og

jevnere kvalitet.

Gjennom ovnen utsettes råproduktet for en

langsom temperaturøkning opp til den temperatur hvor de vik­

tige kjemiske og fysikalske forandringer skjer.

Brenntempera-

turen varierer noe med type produkt og råmaterial, men ligger for tegl normalt i området 950-1100°C. I det følgende skal vi kort ta for oss hva som skjer under

brenning av leiren: Fra 150 til 600°C.

mineralene forsvinner.

Det strukturelt bundne vannet i leir-

Kap.

Fra 300 til 900°C. ved ca 300°C.

36

10

De organiske forurensningene forkulles

Ved økende temperatur forbrennes dette kullet hvis

leiren er mager, og oksygen kan trenge inn i leiren utenfra.

Er

leiren tett, tar kullet oksygen fra de oksygenholdige bestand­

deler slik at det dannes kulloksyd.

På grunn av den eksoterme

reaksjon kan det i uheldige tilfeller oppstå en smelte i materi­ alets indre som stenger kulloksyden inne.

Derved kan materialet

"blåses opp" til en grønnsvart, porøs masse som blir ubrukbar for teglframstilling.

Dette fenomen utnyttes imidlertid ved

produksjon av såkalt lettklinker eller ekspandert leire (se kap. 21) . Ved ca 570-575°C skjer en omvandling av kvarts fra a-kvarts

til (3-kvarts under en volumøkning på ca 1%.

Dette temperatur-

nivå må derfor passeres langsomt, spesielt ved avkjøling etter

brenning.

Leirens porøsitet øker hele tiden pga. vann- og gass-

avspalting (fig. 36.6).

Fig. 36.6

Porøsitetsforandring ved brenning av chamottetegl.

Fra 900 til 1150-1200°C.

Det foregår her en sintring

som betyr at leirpartiklene smelter sammen i sine kontakt­

punkter.

Materialet oppnår derved en viss fasthet.

Hvert enkelt leirmineral har et høyere smeltepunkt enn sintringstemperaturen.

Forholdet mellom sintringstemperatur

og smeltetemperatur er 0,7-0,8.

At det likevel foregår en

viss smelting kan forklares ved at de aller minste leirpartik lene blir reaksjonsvillige allerede ved ca 900°C. I kontakt­

Kap.

36 - 11

punktene mellom disse partiklene skjer en reaksjon i fast

fase hvorved det oppstår en fase med lavere smeltepunkt enn de enkelte partikler.

Hvis temperaturen overstiger sintringstemperaturen, skjer en fullstendig smelting.

Teglmaterialet mister derved full­

stendig sin form og ødelegges (fig. 36.7).

900*

1000*

1150*

1050*

1175’

1100*

1200*

1250*

Fig. 36.7

Deformasjon av keramisk material ved for høy brenningstemperatur.

Sluttemperaturen ligger normalt ved ca 1000°C, men for

visse hardbrente eller klinkerbrente teglkvaliteter kan den gå opp til 1100-1200°C.

Når leirpartiklene smelter sammen i sine kontaktpunkter, skjer det et svinn i materialet (fig. 36.7).

Ved fortsatt

temperaturøkning øker svinnet , og glassfasen flyter ut og

fyller porene i leiren. Porøsiteten som hele tiden har økt opp til ca 900°C både pga. tap av strukturelt bundet vann og avspalting av C02 og S02, avtar derfor så snart sintringen påbegynnes (fig. 36.6).

Fig. 36.6 viser også at andelen av

lukkede porer øker med økende brenntemperatur. Under brenning over ca 900°C skjer ikke noe vesentlig vekttap hos leiren da det ikke lenger skjer noen avspaltning verken av vann eller gass.

Densiteten øker derfor som et

resultat av sintringssvinn, og vi får en direkte sammenheng

mellom densitet og brenningsgrad (fig. 36.8).

Med økende

brenningsgrad menes brenning ved høyere temperatur.

Kap.

Fig. 36.8

36 - 12

Forandringer i densitet og poreegenskaper ved økt brenntemperatur.

For å få et material med lav porøsitet, må man gå ut fra et råmaterial som i seg selv har én lav porøsitet, dvs. er

velgradert.

Normalt kan vi altså ikke framstille et lavporøst

material av et råmaterial som har høy porøsitet.

Hvis sint-

ringssvinnet blir for stort, kan dette føre til store deforma­

sjoner av godset.

Størrelsesorden av det linjære sintrings-

svinnet varierer mellom 2 og 12% avhengig av kjemisk sammenset­ ning, partikkelstørrelse, brenntemperatur og brenningstid.

Da det fortrinnsvis er de minste leirpartiklene som smel­

ter og "vokser sammen", er det først og fremst porene mellom disse, dvs. de minste porene i leiren, som forsvinner.

En økt

brenningsgrad medfører derfor en forgrovning av poresystemet ved at de fineste porene forsvinner, og de groveste porene blir ytterligere grovere. Fig. 36.9 viser porestørrelsesfordelingen for tegl av samme

grunnmasse men med forskjellig brenningsgrad.

Den sammenlagte

effekt av økt brenningsgrad på poresystemet fremgår av fig. 36.8. Brenningstiden, dvs. tiden ved sluttemperaturen, har også stor betydning for gjennombrenningen av materialet og må avpas­

ses både til produktets dimensjoner og form.

Hullene i hull-

tegl gjør at disse får en jevnere temperaturfordeling gjennom hele teglmassen.

Hulltegl blir derfor jevnere brent enn mas-

sivtegl hvor forskjellen i brenningsgrad mellom ytre og indre

sone blir større.

En forlenget brenningstid medfører også et

økt svinn hos materialet, dvs. en redusert porøsitet.

Kap. 36 - 13

Fig. 36.9

Effekt av brenntemperatur på porestørrelses-

fordeling og porøsitet av tegl.

36.3.6

Sortering

Etter brenning må steinen sorteres.

Denne sortering

skjer etter to prinsipper: anvendelsesområde og kvalitet. Teglstein leveres vanligvis til følgende behov enten

som massiv- eller hullstein: Fasadestein Fasadestein for slemmet murverk Bakmurstein Etter utformingen inndeles teglsteinen i massivtegl,

hulltegl med opp til 21 hull vinkelrett på liggeflaten og mangehulltegl - med mer enn 21 hull, oftest 78 hull.

Kap.

36.3.7

36 - 14

Glassering og engobering

Visse produkter så som takstein, fliser og sanitetsporse-

len påføres en glassur for å gi farge og glans samt for å gjøre overflaten vanntett.

De brente eller ubrente produkter dyppes

i en oppslemming med lavt smeltepunkt.

Oppslemmingen består av

visse leirer og forskjellige fargegivende metallsalter.

Produk­

tene gjennomgår deretter en ny brenning ved en lavere temperatur.

Derved smelter glassuren, og det dannes en farget glassfase på

materialets overflate.

En enklere overflatebehandling er den såkalte engobering.

Også her dyppes produktet i en oppslemming av en fargegivende leire hvoretter produktet brennes på vanlig måte uten smelting.

Engobering gir en porøs farget overflate uten nevneverdig glans. Dette tjener ofte som underlag for en gjennomskinnelig glassur.

36.4

MATERIALEGENSKAPER

36.4.1

Generelt

De leirbaserte keramiske materialer karakteriseres av at de er:

- Harde - Sprø - Momentanelastiske , dvs. de gir liten grad av kryping og plastiske deformasjoner

- Varmebestandige - Bestandige mot kjemisk og biologisk angrep, dog ikke

mot sterke syrer

- Volumbestandige ved fukt- og temperaturforandringer - Elektrisk isolerende

Disse egenskaper er et resultat av materialets oppbygning og struktur: - Det faste materialet er bundet sammen av kovalente bindinger (delvis også av ionebindinger) mellom metall- og oksygenatomer .

Slike kovalente metalloksydbindinger er

Kap.

36

15

spesielt sterke og vanskelig å bryte ned f.eks. ved

kjemisk påkjenning.

- Mikrostrukturen preges av at vi foruten en større eller

mindre mengde porer også har en krystallfase som består av korn av varierende størrelse og form.

Disse korn

omgis av en glassfase som sammenkitter de enkelte krys-

tallkorn til et stabilt skjelett.

- Materialet er porøst.

Denne porøsiteten minsker med

brenningsgraden men beror også på råmaterialets porøsitet.

De mekaniske og fysikalske egenskaper er først og fremst avhengig av råmaterialets sammensetning og i enda større grad

av brenningsgraden.

Vi kan nesten si at brenningsgraden er en

faktor som er av like stor betydning for et keramisk material som vannsementtallet er for betong.

I det følgene skal vi spesielt ta for oss teglmaterialets

egenskaper da det er dette keramiske materialet som er mest anvendt og utsatt for de største påkjenninger.

Prinsippene

gjelder imidlertid også for de andre keramiske bygningsmate­

rialer . Da de keramiske materialene ofte anvendes i kombinasjon med et fugematerial, må vi for å kunne bedømme en ferdig kon­

struksjon også ta hensyn til fugematerialets egenskaper. 36.4.2

Fasthetsegenskaper

36.4.2.1

Generelt

På grunn av de sterke bindingskrefter burde keramiske

materialer ha en meget høy fasthet.

De fastheter som obser­

veres i praksis er imidlertid 2 til 3 tierpotenser lavere enn

de teoretiske verdier.

På grunn av den høye sprøhet vil mikro­

sprekker få en dominerende effekt på de aktuelle fastheter.

Fastheten vil også i stor grad være påvirket av materialets

porøsitet. Det er også påvist at størrelsen av de enkelte korn som bygger opp materialet påvirker fastheten.

Avtagende kornstør-

relse, dvs. avtagende porestørrelser, øker fastheten.

Kap.

36.4.2.2

36

16

Trykkfasthet

Trykkfastheten er som alltid totallast ved brudd dividert med trykkflaten.

hullarealet.

For hullstein gjøres det ikke frådrag for

Trykkfastheten varierer med brenntemperatur og

romdensitet, se fig. 36.10.

Fig. 36.10

Trykkfasthet avhengig av romdensitet. Resultater fra norske teglverk.

For hullstein vil resultatene stort sett være like gode som for massivstein.

Imidlertid vil en vegg med hullstein ha

større murverksfasthet, samtidig som hullsteinen ofte vil vise bedre resultater for andre egenskaper.

Dette beror på at hull­

steinen vil få en gunstigere tørking og brenning, idet varmen

kommer lettere til på hele overflaten av steinen. Trykkfastheten bestemmes ved at teglsteinen sages i to like store stykker som mures på hverandre med mørtel i forhol­ det 1 del sand : 1 del sement (fig. 36.11).

høyst 3 mm tykk.

Fugen må være

Topp og bunnplate avrettes med mørtel av

samme sammensetning. Prøvene lagres så ett døgn i fuktig luft og skaptørres ett døgn ved ca 105°C. Prøvens flate beregnes,

og steinen trykkprøves med en spenningsøkning på 0,5-1,0 N/mm2

i sekundet.

Kap.

Fig. 36.11

36.4.2.3

36

17

Prinsipp for trykkfasthetsprøving av tegl.

Strekkfasthet

Strekkfastheten hos tegl angis ofte som 1/5-1/10 av trykk-

fastheten, og den kan bestemmes ved såkalt spalteforsøk. Sammenheng mellom strekk- og trykkfasthet er vist i fig. 36.12.

Fig. 36.12

Sammenheng mellom strekk- og trykkfasthet.

I en murverkskonstruksjon utsettes teglsteinene for

strekkpåkjenninger på grunn av fugemassens tverrutvidelse under belastning eller f.eks. på grunn av vindbelastninger

mot konstruksjonen.

Kap.

36.4.2.4

36

18

Bøyefasthet

Bøyefastheten bestemmes i prinsipp som vist i fig. 36.13. Prøven er ikke normert.

Fig. 36.13

Bøyeprøving av teglstein.

Innvirkning av brenntemperaturen på bøyefastheten er vist

i fig. 36.14.

Fig.

36.14

Bøyefastheten som funksjon

av brenntemperaturen.

Bøyefastheten er relativt konstant fram til en viss brenntemperatur, men deretter øker den med økende brenntemperatur. Dette henger sammen med den sammensintrede strukturen.

For keramiske materialer er bøyefastheten omtrent den samme som strekkfastheten (i motsetning til for betong).

Den

omtrentlige sammenheng mellom trykk- og bøyefasthet for tegl framgår derfor også av fig.

36.12.

Bøyefastheten som funksjon av densiteten er vist i fig. 36.15.

Av figuren fremgår tydelig effekten på fastheten av

ulike råmaterialer.

Kap. 36

Fig.

36.15

36.4.3

19

Bøyefasthet hos ulike keramiske materialer (LTH).

Deformasjonsegenskaper

Den omtrentlige sammenheng mellom tegls elastisitetsmodul og trykkfasthet er vist i fig. 35.16.

Som det framgår

er spredningen stor.

Fig.

36.16

Sammenheng mellom E-modul og trykkfasthet.

Kap.

36 - 20

Trekker vi en middelkurve for sammenhengen, får vi ut­ trykket :

E = 400 f c

hvor E

(36.1)

= elastisitetsmodul

f^ = trykkfasthet

Dette uttrykket kan brukes for tilnærmede beregninger av

teglmaterialets E-modul.

I tabell 36.2

for en del keramiske materialer.

er E-modulen angitt

E-modulen avtar med økende

Tverrkontraksjonstallet for tegl angis ofte til

fuktinnhold. ca 0,3.

Tabell 36.2

Elastisitetsmodul for noen keramiske materialer.

Material

E-modul (MN/m2)

Fliser Pr= 2400

50-60 • 103

" pr= 2100 Ildfast chamottetegl

20-30 • 103

30 • 103

"

magnesittegl

130 • 103

"

silikattegf

13 • 103

36.4.4

Porøsitet

36.4.4.1

Po^estruktur

Under tørking og tildels også brenning av leire er det

et betydelig fuktinnhold som skal drives ut av leiren.

Det

fordampede vannet etterlater derfor et opprinnelig åpent og meget fint poresystem i den tørkede leirmassen.

Ved økende

brenningsgrad skjer det imidlertid en krystallinsk faseendring

i godset, hvor leirmineralene nedbrytes og danner en glassaktig

Kap.

36 - 21

matrix som innleirer og kitter sammen de uomdannede kvarts-

og feltspatkorn i materialet.

Ved stigende temperatur øker

glassfasen i omfang parallelt med at de små porer i godset

tildels flyter sammen til større porer og tildels forsvinner pga. glassfasens utbredelse og det svinn som opptrer i mate­

rialet under brenningen. Disse forhold illustreres tydelig av fig. 36.17

som viser

en porefordelingskurve for tre taktegl-produkter av samme leire (tysk), men med forskjellig brenningsgrad.

Porefordelingen er

framstilt som en summasjonskurve hvor volum av de ulike poreradius-fraksjoner er angitt i relasjon til totalt volum av

tilgjengelige porer, pe volum-%.

Poreradien er videre avsatt

langs en logaritmisk skala.

Fig.

36.17

Porefordelingskurve for tre taktegl-produkter av samme leire, men med forskjellig brenningsgrad. Ved økende brenningsgrad avtar det totale, til­ gjengelige porevolum, pe, mens porestørrelsen øker (større men færre porer).

Av samtlige kurver fremgår det tydelig at vel 95% av det totale tilgjengelige porevolum, pg, består av små porer med

poreradius mindre enn 2 pm.

Andelen av submikroskopiske porer,

dvs. porer med radius mindre enn 0,1 pm, er videre tilsynelat­ ende beskjedent for tegl brent over 960°C. Her må imidlertid tillegges at andelen ikke-tilgjengelige porer for en stor del utgjøres av porer med radius mindre enn 0,1. pm.

Kap.

36.4.4.2

36

22

Poreyolum_o2_romdensitet

Teglets porevolum og porestruktur har avgjørende betyd­

ning for steinens fukttekniske egenskaper og frostbestandighet.

Ved oppfukting viser det seg at teglets totale porevolum ikke blir helt fylt, og selv ved koking av teglet vil det fortsatt være en viss andel av porene som ikke blir vannfylt. I fukt-

teknisk henseende er det derfor ikke det totale porevolum pQ

som er av interesse, men det såkalte tilgjengelige porevolum pe som defineres slik: Pe = teglmaterialets tilgjengelige porevolum (volum-%) angir volum av porer som kan fylles med vann ved 3 døgns neddykking og ytterligere 6 timers koking

av teglsteinen, i % av teglsteinens nettovolum. Teglets totale porevolum p^ bestemmes etter følgende ut­ trykk :

po = (1 -

P T"

• 100

(%)

(36.2)

hvor po = teglmaterialets totale porevolum i % av teglsteinens p

nettovolum (volum-%) = teglmaterialets romdensitet i tørr tilstand (kg/m3)

p

= densitet av mineralpartiklene i teglmaterialét = 2 750 kg/m3

NS 3000, Teglstein, angir prøvingsmetoder for bestemmelse av teglsteinens densitet. Massen bestemmes ved veiing av tørr stein (tørket ved 105°C), og volumet bestemmes ved veiing under

vann etter at steinen har ligget neddykket under vann i 3 døgn.

Densiteten er da massen dividert med netto volum, fratrukket eventuell hullandel. Det alt vesentligste som lages av teglstein i dag er hull-

tegl.

For teglstein med normalformat 230x110x65 mm3 (Ixbxh) er

hullandelen vanligvis 20-25 volum-% med 20 gjennomgående hull

Kap. 36 - 23

normalt på steinens liggeflate (Ixb).

Ved angivelse av tegl­

steinens densitet skal densiteten alltid referere seg til selve

teglmaterialet når intet annet er sagt. Ved brenningstemperaturer over ca 900°C fører en tempera­ turøkning til økning i romdensiteten hvilket illustreres av fig. 36.18.

Kurvene er basert på resultater fra forsøk med

eldre massive teglstein og er vel neppe helt representative for dagens norske hulltegl-produkter .

Fig.

36.18

Sammenheng mellom brenningsgrad og romdensitet for massivtegl brent av tre forskjellige leir-

sorter (eldre forsøk).

Flere teglverk tilsetter i dag sagflis til leiren for å bedre dens plastisitet og formbarhet og gjøre den mer porøs.

Etter brenningen etterlater sagflisen seg relativt grove porer som reduserer teglets sugeevne og forbedrer frostbestandigheten.

Mengden av tilsatt sagflis tilsvarer vanligvis en

økning av teglets porevolum på ca 5 volum-%.

Med sagflistilsetning i leiren vil porefordelingskurvene forrykkes mot høyre, dvs. større andel store porer, samtidig

som det tilgjengelige porevolum pg nærmer seg det totale pore­ volum pQ, jfr. tab.

36.3, og andelen små porer avtar.

Begren­

sete mengder sagflistilsetning har derfor meget gunstig effekt på teglets frostbestandighet, jfr. kap. 33.

Kap. 36 - 24

I stedet for sagflis tilsettes leiren iblant små poly-

styrén-plastkuler med diameter 0,5-1 mm.

De hule plastkulene

vil deformeres under tørkeprosessen og følge leirmaterialets

svinn uten at det oppstår krakelering i godset.

Under brenn­

ingen fordamper plastkulene og etterlater seg kuleformede,

ikke-kapillære porer.

Pga. lite fuktinnhold i råstoffet kan

denne tegl tørkes hurtig, og brenneteknisk kan materialet

brennes ved noe lavere temperatur enn den tradisjonelle tegl­

stein.

Mengden av tilsatte plastkuler tilsvarer en fordobling

av teglens porevolum, fra ca 25 volum-% uten til vel 50 volum-% med plastkuler tilsatt leiren.

36.4.4.3

Materialdata

Tabell 36.3 viser en oversikt over densitet og porevolum for ulike norske hullteglprodukter produsert i perioden 1977-78:

Tabell 36.3

Densitet og porevolum for norsk hulltegl produ­

(hulltegl)

Poroton B 137 3M-modultegl , 2) Ru, rød 2, Ru, mokka

2)

Børstet, rød flamme Ru, rød 3)

Ru, rød flamme

)

Tilgj. porevolum Pe (volum-%)

I

Totalt porevolum Po (volum-%)

o lo

Romdensitet Pr (kg/m3)

Teglsteinstype

ti ti

sert i perioden 1977-78.

1 340

51,2

50,4

0,98

1 912

30,4

26,1

0,86

1 890 1 933

31,3 29,7

28,8 25,6

0,92 0,89

2 130 2 100

22,5 23,6

16,6 20,5

0,73 0,87

2 269

17,5

9,7

0,55

Pkt. JL)-4) se neste side.

Kap. 36

25

) Lett-tegl framstilt ved tilsetning av plastkuler i leiren, tilsvarende ca 25 volum-% av det brente tegl. 2 )

3 )

u )

Normaltegl framstilt av leire med sagflistilsetning tilsvar­ ende vel 5 volum-% av det brente tegl.

Normaltegl framstilt av leire med sagflistilsetning tilsvar­ ende 1-2 volum-% av det brente tegl.

Normaltegl, hardbrent og uten sagflistilsetning i leiren.

36.4.5

36.4.5.1

Varmetransportegenskaper

§pesifikk_yarmekapasitet

Bygningsmaterialers varmekapasitet har betydning for deres evne til å oppmagasinere (akkumulere) varme.

Denne material-

egenskap har fått vesentlig økt aktualitet i forbindelse med nye energiformer for oppvarming av bygninger, utnyttelse av

solvarme og solinnstråling gjennom vinduer, etc.

Skal det være

mulig å dra praktisk nytte av slik "gratisvarme", må varme kunne

opptas og lagres for eksempel i bygningskroppen og innvendige romflater/konstruksjoner.

Med lette bygningskonstruksjoner vil

gratisvarme fra solinnstråling gjennom vinduer i store deler av

året kunne resultere i overoppvarmingsproblemer pga. manglende varmelagringskapasitet i de innvendige konstruksjoner. Spesifikk varmekapasitet for de fleste uorganiske bygge-

og isolasjonsmaterialer ligger i området c = 750 - 1000 Ws/kg-K.

Det er derfor materialenes densitet som i første rekke bestemmer deres evne til å lagre varme.

For tegl kan det normalt regnes

med en spesifikk varmekapasitet i størrelsesorden Ctegl = 900 Ws/k9’K

36.4.5.2

(36.3)

Varmeledningsevne

Den termiske konduktivitet vil variere med teglets pore­

volum og fuktinnhold.

Normalt relateres konduktiviteten til

teglets densitet ved en likevektsfukt på ca 1 volum-% i mate­ rialet.

For andre fuktinnhold angis Å av fig. 36.19.

Kap. 36 - 26

Fig.

36.19

Varmeledningsevnen hos tegl som funksjon av

vanninnholdet.

For selve murverket vil imidlertid mørtelfugene ha stor

innflytelse på konstruksjonens praktiske varmeledningsevne. For typiske varmeisolerende teglprodukter kan det derfor være

aktuelt å benytte varmeisolerende lettmørtel til muringen.

Dette vil selvsagt influere på murverkets konstruksjonsfastheter.

Imidlertid vil også teglets fasthet avta med økende

porøsitet og hullandel.

Muring med lettmørtel vil derfor ikke

gi noen betydelig reduksjon av murverkets konstruksjonsfast-

heter sammenlignet med muring med tradisjonell murmørtel. I figur 36.20 er praktisk varmeledningsevne for ulike teglprodukter (kurve a), samt for innvendig (kurve b) og for utvendig (kurve c) murverk murt med tradisjonell murmørtel og

fylte fuger, framstilt som funksjon av teglets densitet for massivtegl.

For hulltegl-produkter med varierende hullandel

kan nedre del av diagrammet benyttes for bestemmelse av de

samme verdier.

Kap.

Fig.

36.20

36

27

Praktisk varmeledningsevne Å (W/m*K) for massivtegl og hulltegl som funksjon av teglets densitet pr (kg/m3). For murverk er det antatt benyttet vanlig murmørtel og muring med fylte fuger. Kurve (a): Kurve (bj: Kurve (c):

Å for selve teglsteinen Å for innvendig murverk Å for utvendig murverk

Kurvene for massive tegl-produkter er hentet fra et for­ slag til Norsk Standard, NBR F 7/77 - Regler for beregning av

bygningers energibehov.

Verdiene som kan tas ut av diagrammet

må kun betraktes som orienterende, men veiledende i den for­

stand at diagrammet angir størrelsesorden for praktiske varme­ ledningsevne r.

Kap. 36 - 28

36.4.6

Fukttekniske egenskaper

36.4.6.1

Generelt

For å kunne bedømme tid for uttørking, risiko for frost-

angrep og gjennomfuktning f.eks. på grunn av slagregn, varmeisoleringsevne osv., må vi kjenne materialets evne til å ta opp vann i ulike situasjoner. Høy kvalitet på det ferdige murverk er i aller høyeste grad avhengig av at stein og mørtel passer sammen og at de kan

samvirke godt.

God heftfasthet mellom stein og mørtel krever

at steinens sugeevne er avpasset etter mørtelens vanntapsmot-

stand, dvs. evne til å hindre at vannet i den ferske mørtel blir sugd opp av steinen når denne legges på plass.

Grunn­

laget for heftfastheten i det herdnete murverk etableres i løpet av de første minutters kontakt mellom stein og fersk

mørtel.

Hvis steinen har lav sugeevne og mørtelen høy vann-

tapsmotstand, vil lite av mørtelvannet overføres til steinen.

Dette kan føre til at mørtelen holder seg plastisk i flere timer med tendens til å sige slik at den løsner fra steinen over.

Dette gir mureren store arbeidsproblemer og reduserer

såvel lastflate som effektiv heft mellom mørtel og stein. Stein med høy sugeevne og mørtel med lav vanntapsmotstand pas­

ser heller ikke sammen.

Mørtelsjiktet nærmest steinen kan

tørke helt ut ved forsinket vanntilførsel fra midtsjiktet, og herdingen kan stoppe helt opp.

Dermed er heftfastheten øde­

lagt og det dannes riss. 36.4.6.2

Minuttsug

Steinens minuttsug måles ved at en tørr stein (tørket ved 105°C) senkes ned i et vannbad slik at nedre liggeflate ligger 10 mm under vann.

Etter 60 sek. tas steinen opp, av-

tørres med en oppvridd klut, og vektøkningen bestemmes.

Minuttsuget angis i kg oppsugd vann delt på brutto areal av sugeflaten i m2, uten fradrag for eventuelle hull (jfr. NS

3000) .

Kap.

36 - 29

For norske hullteglprodukter vil minuttsuget normalt ligge mellom s = 0,5-2,5 kg/m2,min, jfr. tabell 36.4.

fig. 36.21

I

er minuttsug for normal hulltegl framstilt som

funksjon av teglens densitet, kurvene ( a) og (b ).

Fig. 36.21

Sammenheng mellom teglgodsets romdensitet og teglsteinens minuttsug for norske hulltegl­ produkter. Teglsteinsformat 228x108x62 mm3 (Ixbxh). Hullandel 20-25 volum-%, 20 hull.

Kurve ( a): Kurve ( b):

Minuttsug. for rød, ensfarget hulltegl Minuttsug for rød, flammet hulltegl

Her fremgår at for tegl brent under redusert atmosfære

med underskudd på oksygen, såkalt flammet tegl eller tegl med fargespill, vil minuttsuget være noe lavere enn for tilsvar­

ende ensfarget, rødbrent tegl med samme densitet.

36.4.6.3

jon

Steinens vannabsorpsjon bestemmes etter en standardisert metode ifølge NS 3000. Tørr stein (tørket ved 105°) senkes med liggeflaten ned i et vannbad til sin halve høyde.

Etter

1 døgn lagres steinen helt neddykket i ytterligere 2 døgn.

Vannabsorpsjonen bestemmes som volum av oppsugd vannmengde i forhold til steinens netto-volum, uttrykt i prosent(volum-%).

Kap.

36 - 30

For norske hullteglprodukter viser det seg at vannabsorpsjonen med meget god tilnærmelse kan uttrykkes som en lineær funksjon av steinens minuttsug s angitt i kg/m2,min, jfr. tabell

36.4:

w « 10 • s

36.4.6.4

(volum-%)

(36.4)

Sugehastighet

Dersom sugeforsøk utføres over lengre tid etter samme prin­ sipp som måling av minuttsuget, viser deg seg at allerede etter ett døgn vil stein med nedre liggeflate neddykket 10 mm under vann ha sugd opp omtrent like mye vann som stein fullstendig

neddykket vil gjøre ved metning. Jo mer porøst teglet er, desto raskere vil vannoppsugningen nærme seg vannabsorpsjonens metningsgrad w.

Dette er utpreget

eksempelvis for tegl av gulbrennende leirer, hvor metningsgraden

tilnærmet kan nås etter kun 15-30 minutter, jfr. fig. 36.21.

Oppsugd vannmengde

Fig. 36.21 Oppsugd vannmengde i kg/m2 som funksjon av sugetid i minutter for 4 teglsteinprodukter av gulbrennende leire (dansk).

Sugetid “i— 32 min.

Kap. 36 - 31

Som det framgår av figuren kan to tegltyper med tilnærmet

samme minuttsug ha vesentlig forskjellig sugeegenskaper for­ øvrig.

Vanligvis benyttes teglets minuttsug som kriterium for

valg av egnet mørtel til muringen.

forholdet ikke er så enkelt.

Mye tyder imidlertid på at

Sannsynligvis vil også teglets

sugekurve, da særlig under den første halvtimen, være av betyd­ ning.

36.4.6.5

Materialdata

Tabell 36.4 viser en oversikt over hullandel, minuttsug

og vannabsorpsjon for ulike norske hullteglprodukter produsert i perioden 1977-78 (se også tabell 36.3).

Tabell 36.4

Kvalitetskontroller av norsk hulltegl produsert i perioden 1977-78. Teglsteinsformat 228x108x62 mm3 (Ixbxh). Alle tall er middel av 10 prøver. Porevolum for de samme teglprodukter finnes i tid­ ligere tabell 36.3.

Vannabs. w (volum-%)

Hull­ andel

Minutt­ sug s

(volum-%)

(kg/m2 *min)

Poroton B 137

32,4

3,4

27,2

3M-modultegl

25,1

2,0

20,1

Børstet rød Ru rød Ru mokka

~ 25 25,5 27,3

2,3 2,2 1,6

20,7 19,6 17,4

Børstet mokka Børstet, rød flamme Ru rød

~ 20 ~ 20 19,6

1,0 1,0 1,4

11,4 9,3 13,5

23,3

0,5

4,8

Teglsteinstype (hulltegl)

Ru, rød flamme

Kap.

36.4.7

Bestandighet

36.4.7.1

Volumbestandighet

36.4.7.1.1

36

32

Spesifikk varmeutvidelse

Som tidligere nevnt benyttes tegl i dag hovedsakelig

som et fasadekledningsmateriale utenpå, eller integrert i byggets bærende konstruksjoner oppført av andre materialer, f.eks. betong.

Svært ofte tas det ikke tilbørlig hensyn til

at tegl og betong ikke får de samme lengdeendringer under varierende forhold.

Ved forblending av høye eller lange fasa­

der ser en altfor ofte at forblendingen mures ubrutt forbi

fremstikkende betongkonstruksjoner på fasade, f.eks. balkongdekker støpt kontinuerlig med innvendige etasjeskillere.

Ved

svinn og kryping i betongkonstruksjonen parallelt med fukt- og

temperaturavhengige lengdeutvidelser i teglforblendingen vil

denne "henge seg opp" på de fremstikkende balkongdekkene. Slike riss-skader ser en naturlig nok aldri på eldre mur-

bygg hvor hele veggkonstruksjonen er murt i tegl og hvor de relative vertikalbevegelser mellom indre og ytre del av vegg­

konstruks jonen derfor er ubetydelige.

Det virker imidlertid

ofte som om de prosjekterende ennå ikke helt har oppdaget vesensforskjellen mellom disse eldre, og ofte massive teglkon-

struksjoner, og nyere sammensatte veggkonstruksjoner med tegl som ytterkledning. For murverk av tegl kan det regnes med varmeutvidelseskoeffisient i størrelsesorden a = 5-10“®/K. Til sammen­ ligning kan nevnes at tilsvarende verdi for murverk av betong-

murstein/-blokk eller kalksandstein er omtrent dobbelt så stor. Hvilke temperaturvariasjoner kan en så regne med vil opptre i den ytre vangen av en skallmurt, velisolert veggkonstruksjon?

Sett i relasjon til uteluftens temperatur må det regnes

med at middeltemperaturen over skallmurens tykkelse vil kunne

ligge ca 20°C høyere ved sterk solbestrålt fasade sommerstid, og ca 10°C lavere enn lufttemperaturen ved avstråling til klar

Kap. 36

og kald natthimmel vinterstid.

33

Disse temperaturforskjeller

relaterer seg til skallmur murt av mørk rød eller brun tegl­ stein.

For hvit kalksandstein kan de samme temperaturforskjel­

ler halveres. På årsbasis må det derfor regnes med en total, dimensjonerende temperaturvariasjon i skallmuren

på sydvendte fasader

på:

AGo = (25+20) - (-15-10) = 70°C 3. r tilsvarende en lengdeendring:

Å£oar = ofAØo ar

= 0,35 mm/m

Ofte kan også døgnvariasjoner skape problemer, bl.a. fordi

resulterende spenningskonsentrasjoner ikke i samme grad som ved langtidsvariasjoner , rekker å omlagres ved plastiske deforma­

sjoner i murverket.

De pulserende bevegelser vil også kunne

resultere i utmatningsbrudd i fastholdte forankringsmidler mel­ lom murverk og bakenforliggende bærekonstruksjon, dersom disse

ikke er utformet m.h.t. å kunne oppta slike relative bevegelser. For sydvendte fasader av mørk tegl er døgnvariasjoner for

temperaturen i skallmuren målt (svenske undersøkelser) opptil 35°C (for nordvendte fasader maks. 20°C), dvs. tilsvarende en

lengdeendring: A£

døgn

0,005*35 = 0,175 mm/m

For utvendige konstruksjoner i tegl bør store flater sek­

sjoneres i mindre partier med vertikale og horisontale fuger såkalte dilatasjons- eller bevegelsesfuger.

For å oppta hori­

sontale bevegelser i skallmur av tegl bør denne oppdeles med

vertikale dilatasjonsfuger med maks. 30 m avstand mellom fugene.

Dessuten må skallmuren kunne bevege seg uavhengig av den bærende konstruksjon, f.eks. ved utstikkende balkongdekker av betong.

Kap.

36.4.7.1.2

36 - 34

Svinn

Alle bygningsmaterialer endrer mal ved varierende fukt­

innhold.

For keramiske materialer er disse endringer imidler­

tid svært små og normalt neglisjerbare. Vanligvis regner en med at lengdeendringene er i størrelsesorden 0,01 mm/m (0,01

o/oo) fra lagring i vann til uttørking ved +105 C til konstant vekt. 36.4.7.2

Fysikalsk_angrep

Dårlig frostbestandighet kan være et problem for tegl, og da spesielt for takstein som blir utsatt for store fuktbelastninger.

Problemet ble større etter at man gikk over fra

tilvirkning for hånd til maskinpressing av takstein.

Materi

alet ble derved tettere, men porestrukturen ble ugunstigere

med hensyn til frostbestandighet. For at teglmaterialet skal være frostbestandig for en gitt miljøpåkjenning, må vannmetningsgraden

være mindre

enn SKR (jfr. s. 33-25). Et stort antall undersøkelser har vist at økt brennings­

Dette ser ut til a henge sammen

grad øker frostbestandigheten.

med at S izm synker idet økt brenningsgrad gir en redusert vannAKT absorpsjon. I oraksis opptrer frostskadene på forskjellige måter som grovt kan inndeles i fire grupper: 1. Avsprengning av tynne skiver

2. Avsprengning av tykke skiver 3. Sprekkdannelser 4. Fullstendig nedbrytning I de tre første gruppene har SAKT vært større enn SRR i et yttersjikt av materialet.

I den siste gruppen som forøvrig

er mere sjelden, har store deler av steinen hatt

> ^KR’

Kap. 36 - 35

Glassuren på keramiske veggfliser og takstein kan hindre vannets ekspansjon ved isdannelse og sprenges av hvis vannmet-

ningsgraden i materialet blir for høy.

På den annen side kan

en slik overflatebehandling hindre vann i å trenge inn i mate­

rialet. 36.4.7.3

Kjemisk_angrep

Som allerede nevnt er keramiske materialer svært motstands­ dyktige mot kjemisk angrep.

Unntak for dette er sterke syrer.

Hvis det også skal stilles store krav til syrebestandighet, må

det anvendes syrebestandige teglkvaliteter framstilt av kisel-

syreholdig råmaterial.

Ved fuging og legging må det også an­

vendes syrebestandig fugemasse.

Under visse omstendigheter kan det forekomme en effekt av kjemisk art, nemlig saltutslag på murverk.

Dette er en effekt

som kan være skadelig både ut fra estetiske hensyn og for den

generelle bestandighet.

Mekanismen ved denne type angrep er

at vann som inneholder oppløste salter fordamper fra overflaten. Derved vil saltene utkrystallisere og danne et mer eller mindre

vannløselig belegg på murverket. Saltutslag kan forårsake avskalling både av yttersjikt på tegl og av puss fra pusset murverk.

I de fleste tilfellene

dreier det seg imidlertid om et tynt overflatebelegg som er

relativt lett å vaske bort. I fig. 36.22 er det vist noen eksempler av saltutslag på murverk.

I tillegg til at murverket må inneholde vannløselige

salter, kreves også visse porøsitets- og kapillaritetsforhold for at saltutslag skal forekomme.

Innhold av løselige salter

kan skrive seg fra flere forskjellige årsaksforhold:

- Salter i leiren - Salter som dannes ved reaksjon mellom bestanddeler i materialet og omgivende atmosfære

- Salter som dannes under brenning

- Salter fra fugemassen

Kap.

36 - 36 ’

1. Utslag på overflate 2. Utslag i fuger 3. Utslag i fuger og steinkanter 4. Ringformet utslag 5. Utslag i kjernesone

Fig.

36.22

Ulike former for saltutslag.

- Salter som dannes ved reaksjon mellom bestanddeler i tegl og fugemasse - Salter fra jord eller andre materialer som teglmateri-

alet kommer i kontakt med under lagring og anvendelse. Analyser på avskrapede saltutslag viser at de hovedsakelig

består av sulfater, hvor alkalisulfatene Na2SO4 og K2SCU domi­ nerer, mens gips og magnesiumsulfat forekommer i varierende

mengder.

Av andre salter er også kalsiumkarbonat vanlig.

At

utslagene hovedsakelig består av alkalisulfater mens sulfatene

i teglmaterialet i det vesentligste består av gips, henger sam­ men med at alkalisaltene er vesentlig mer lettløselig i vann enn gips. Da tegl i fasader og liknende konstruksjonsdeler stadig

er utsatt for nedfukting og uttørking, kan misfarging pa grunn av saltutslag representere et problem gjennom flere år. De viktigste tiltakene for å motvirke saltutslag er følg­

ende : (1)

Høy brenningsgrad på teglmaterialet.

Dette motvirker

saltutslag ved at steinen blir tettere, og derved blir

Kap. 36

37

salttransporten ut mot overflaten vanskeligere.

Ved høyere

temperatur blir de lettløselige alkalisaltene også omdannet

til mer tungtløselige stoffer. (2)

Begrensning av svovelinnholdet i forbrenningsgassen til det

lavest mulige. (3)

Visse tilsetningsstoffer til leiren så som bariumkarbonat

eller klorider reagerer med sulfatene og danner uløselige eller tungtløselige produkter. (4)

Unngå at materialet kommer i kontakt med materialer som inneholder salter som kan forurense teglmaterialet. .

De fleste tiltakene ligger altså på det produksjonstekniske planet.

Saltutlsag kan i de fleste tilfellene fjernes ved børs-

ting eller vasking med vann.

I vanskeligere tilfelle må vi

bruke syrevasking med etterfølgende skylling i vann.

I mange

tilfelle må vasking også utføres i flere omganger.

36.5

TEGLPRODUKTER Teglproduktene som produseres i Norge, kan inndeles i fire

hovedtyper: Teglstein Drensrør Takstein

Gulvplater Teglstein produseres i normalformat, 230x110x65mm3 enten

som massivstein eller hullstein. Av andre steintyper kan nevnes: Modulstein

(188 x 88 x 87)

20 - tegl

(200 x 140 x 65)

20 - tegl

(200 x 140 x 85)

Kap. 36

Jobbestein

(230 x 110 x 35)

Lettstein

(230 x 110

X

70)

Lettstein

(230

110

X

100)

X

38

Normalstein, modulstein og jobbestein leveres enten som

fasadestein eller bakmurstein. Fasadestein leveres med forskjellig typer overflatebe­ handling.

Av de viktigste typer skal nevnes: glatt, sagflis-

behandlet, sandet, preget, riflet og børstet.

LITTERATUR

Stoffet er hovedsakelig hentet fra: /l/

Markestad, A. og Maage, M.: "Bygningsmateriallære , bind 2", Tapir, Trondheim, 1978.

/2/

Hillerborg, A. m.fl.s "Allmån kurs i Byggnadsmateriallara, del II", Tekniska Hogskolan i Lund, Sverige, 1974.

/3/

Madsø, F.E.: "Tegl som byggemateriale", Forelesningsnotat våren 1979 ved BML - NTH, Mur-Sentret, Oslo, mars 1979.

I disse refereres til: //

Disch, A: "Teglstein. Historikk, fremstilling og egen­ skaper", Teglindustrien nr. 4-5, 1957.

/5/

Norsk Standard NS 3000: "Teglstein (for teglstein av normal format og modulformat med densitet minst 1,6 kg/dm3", 1967.

/6/

Nevanger, L.E.: "Tegel och keramiska produkter", Kap. 25 i Bygg II, 3. uppl., Stockholm, 1961.

/7/

Granholm, Hj.: "Armerade Tegelkonstruktioner ", CTH-handl. nr. 16, Gøteborg, 1946.

/8/

Bing, K.: "Utblomstringar på murverk", CTH-handl. nr. 58, Gøteborg, 1947.

/9/

Norsk Standard NS 421: "Regler for beregning og utførelse av konstruksjoner i teglsteinsmurverk", 1958.

Kap. 36

39

/10/

Tegelindustriens Centralkontor AB: "Tekniska data for tegel och tegelkonstruktioner", Teknisk Information nr. 11, 1964.

/Il/

Norsk Standard NS 3108: "Murmørtler. kvalitetskrav", 1972.

/12/

Diihrkop, H.; Saretok, V.; Sneck, T.; Svendsen, S.D.: "Mørtel - Mur - Puss, NBI-Håndbok 20", Oslo, 1966.

/13/

Teglkatalogen: "Teglfremstilling og prøving", Mur-Sentret, Oslo, sept. 1976.

/14/

ER-orientering: Oslo, mai 1977.

"Murblokker og murstein", A/S Byggtjeneste,

/15/

ER-orientering: 1977.

"Takstein", A/S Byggtjeneste, Oslo, august

/16/

Butterworth, B.: "The properties of Clay Building Materials. Ceramics", Symposium held by the British Ceramic Soc., 1953.

/17/

Ekblad, K.G.: "Tegel och murbruk samt murverk av massivtegel", CTH-handl. nr. 84, Gøteborg, 1949.

/18/

Engelmark, E.: "Teglets brændings process", Lerindustrin nr. A6, 1959.

/19/

Gilman, J.J.: "The nature of ceramics", Scientific American, sept. 1967.

/20/

Granholm, H.: "Armerade tegelkonstruktioner", CTH-handl. nr. 16, Gøteborg, 1946.

/21/

Hedin, C.: "Tegelundersokningar. 64, 1948.

/22/

Hagg, G.: "Allman och oorganisk kemi", Stockholm, 1963.

/23/

Jessing, J. og Nielsen, H.P.: "Om tegls frostfasthed", SBI rapport nr. 28, København, 1958.

/24/

May, J.O og Butterworth, B.: "Studies of Pore Size Distribution III. The effect of Firing Temperature", Science of Ceramics I, 1962.

/25/

Nevander, L-E.:

/26/

Nevander, L-E.: Kompendiet "Byggnadsmaterialens allmånna egenskaper", KTH, 1962.

/27/

Overgaard, J.A.: "Tegls fysisk- mekaniske egenskaber", Danmarks Ingeniørakademi, Byggn.avd., 1963.

Betegnelser og

Del II", CTH-handl. nr.

"BYGG", Huvuddel 2, kap. 251: "Tegel", 1968.

Kap. 36

40

/28/

Pedersen, K.C.: "Teglets råmaterialer og fremstillingsprocess", Danmarks Ingeniørakademi, Byggn.avd., 1960.

/29/

Pels, Leusden, R.: "Vergleichende Untersuchungen verschiedener Frostprufverfahren", Die Ziegelind 4, 1964.

/30/

Piltz, G.: "Einflusse der Fabrikation auf die Frostbeståndigkeit von Ziegeln", Die Ziegelind 7, 1967.

/31/

Rosenthal, G.: "Ausbluhungen, Frostbeståndigkeit und Silikonisierung von Ziegeln", Die Ziegelindustrie Nr. 24, 1963.

/32/

Salman, H. og Scholze, H.: "Die physikalischen und chemischen Grundlagen der Keramik", Funfte Aufl., Springer Verlag, 1968.

/33/

Sandford, F.; Gustavsson, U.; Olsson, K.: "An investigation into the drying and reabsorption processes of some Swedish brick clays", CTH-handl. nr. 284, 1964.

/34/

Schellbach, G.: "Technische Massnahmen zur Eigenprufung in der Zegeleien", Die Ziegelind 10, 1968.

/35/

Schmidt, E.: "Mauerwerksausbliihungen aus Mortel oder Zie­ geln?", Die Ziegelindustr-ie Nr. 10, 1963.

/36/

Searle, A.B.: "The chemistry and physics of clays", Benn Ltd., London, 1960.

/37/

Svensk Byggkatalog del 8:3, 1967.

/38/

Svensk Byggnorm 67 (SBN 67).

/39/

Svensk Standard SIS 22 21 02,

"Tegelsten".

/40/

Svensk Standard SIS 22 27 01,

"Taktegel, ofalsat".

/41/

van Vlack: "Elements of materials science" og "Physical ceramic for engineers", Addison-Wesley, Massachussetts, USA, 1960 & 1964.

Kap. 37-1

Kap. 37

POLYMERE

37.1

GENERELT

MATERIALER

Polymere materialer, eller plastmaterialer, er et samlenavn på syntetiske og endrede naturprodukter bygd opp

av makromolekylære organiske forbindelser.

Den eksakte defi­

nisjon er gitt i "Plastteknisk ordbok":

"Plast er et materiale som består av eller inne­

holder som karakteristisk bestanddel, et naturlig eller syntetisk, høymolekylært organisk stoff, og som på ett eller annet trinn i fremstillingsprosessen er eller kan gjøres flytende eller plastisk

slik at det kan formes."

Plastene deles i de to hovedgruppene termoplaster og herdeplaster.

Termoplastene mykner og smelter ved

økende temperatur og stivner igjen med fallende temperatur. Prosessen er reversibel.

Herdeplastene gjennomgår ved

første formingsprosess en kjemisk endring som umuliggjør en senere omsmelting og forming.

37.2

OPPBYGGING OG STRUKTUR

37.2.1

Kjedemolekylets oppbygging

Den molekylære oppbygging er sterkt forskjellig fra den vi finner hos de fleste andre materialer.

Høy-

polymere materialer består av meget store kjedeformede

molekyler.

De lange kjedemolekylene bygges opp av enkle

lavmolekylære forbindelser, monomerer. mentene er:

De vanligste ele­

Kap. 37-2

Oppbyggingen av kjedemolekylene kan foregå ved poly-

Det mest

merisasjon, polyaddisjon eller polykondensasjon.

vanlige er polymerisasjon, et eksempel er dannelse av polyeten (PE) av monomeren eten:

H

H

H

H

H

1

lill

H

1

lill

H

H

H

H

H

H

H

H

H

1

1

1

1

1

-c-ic - c — c -c-c-

-

C-= C + C = C + (: =c

HlH

H

1

1

1

HlH

H

H

H

H

En annen måte å skrive dette på er:

n*

’h

H

1

1

c= C 1

1

H

H

polymerisasjon

37.1

1

1

H

H

Polyeten (PE)

Eten Fig.

H H 1 1 -c- c-

Dannelse av polyeten (PE).

Polymerisasjon.

Antallet merer (gitt av tallet n) i kjeden kalles polymerisasjonsgraden og bestemmer kjedens lengde. Tallet 3 5 n kan ligge i området 10-10 . Hvis n > 100, snakkes det ofte om høypolymere materialer.

Hvis meren ser ut som fig. 37.2 viser, tilhører polymeren gruppen vinylplaster.

Fig. 37.2

Vinylplast-mer.

Kap. 37-3

R i fig. 37.2 atomgrupper.

kan være en rekke ulike atomer eller

De vanligste fremgår av fig. 37.3

(disse tre

utgjør ca 2/3 av verdensproduksjonen av plast).

Fig.

37.3

**

Polyeten (PE)

■*

Polyvinylklorid (PVC)

=*

Polystyren (PS)

De vanligste vinylplastene.

Kjeder av denne lineære type kan også dannes ved

polyaddisjon og polykondensasjon.

Dannelse av lineær poly-

uretan (PUR) er et eksempel på polyaddisjon.

Di-isocyanat

Dialkohol

polyaddisjon

Polyuretan (PUR) Fig. 37.4

Polyaddisjon.

Dannelse av polyuretan (PUR).

Kap. 37-4

Dannelse av polyetentereftalat (PETP) eller "Terylene"

er eksempel på polykondensasjon:

H H 0 «IQ i zc-c | H — 0 — C — Cx ZC- C — 0 — H

H— 0—C— C — 0 — H

+ n-

Tereftalsyre

0 1

polykondensas jon

Glykol

H H II

zC= Cx

-C- C.

0

8

H

II

H

— C - 0 — C — C — 0— *

n

II

+

2n H20

Polyetentereftalat (PETP)

Fig.

37.5

Polykondensasjon .

Dannelse av polyetenteref-

talat (PETP) eller "terylene".

Som vi ser av eksemplene foregår polymerisasjonen

ved at like monomerer kjedes sammen, ved polyaddisjon bygges molekylene opp av ulike monomerer uten avspalting

av biprodukter og ved polykondensasjon skjer det en kjemisk

reaksjon mellom ulike monomerer samtidig som detavspaltes en lavmolekylær forbindelse, vanligvis vann.

Felles for alle eksemplene er at de danner lineasre kjeder uten tverrforbindelser, de reagerer difunksjonelt. Alle lineært oppbygde plaster hører til termoplastene.

De fleste plastene hører til denne hovedgruppen.

Dersom en går ut fra en monomerblanding der minst en monomer kan reagere i tre eller flere retninger og de(n) øvrige i minst to retninger, vil en under bestemte forhold kunne få molekyloppbyggingen til å løpe ikke bare i kjederetningen, men også på tvers av den.

måten oppstår et tredimensjonalt nettverk.

På denne

Monomerer med

Kap. 37-5

denne egenskapen kalles tri- eller flerfunksjonelle.

Plastene kalles nettverksplaster og de hører alle til herdeplastene. Fig. 37.6 viser strukturen hos termoplaster og herdeplaster.

Fig.

37.6

Struktur for termoplaster (a) og herdeplaster (b).

Bindinger

37.2.2

Atomene i molekylkjedene

er bundet sammen med sterke,

kovalente bindinger der atomavstanden er 1-1,5 Å.

Bindingene

mellom molekylkjedene er av de langt svakere van der Waalske

bindinger.

Disse oppstår når avstanden mellom to molekyler

blir liten nok. 3-5 Å.

I plaster er denne likevektsavstanden

Slike intermolekylære bindinger oppstår bare når

to molekylsegmenter krysser hverandre eller løper paral­

lelt, dvs. i de såkalte knutepunktene. Størrelsen av de sekundære bindingene av avhengig av i hvor stor grad molekylet er i "elektrisk ubalanse" eller hvor lett det kan bringes i en slik tilstand. 37.2.3

Geometriske effekter og taktisitet

Ved siden av kjedemolekylenes kjemiske oppbygging og sammensetning har også deres geometriske oppbygging stor innvirkning på kjedemolekylenes oppførsel og dermed på polymerens egenskaper.

Kap. 37-6

Som eksempel på geometriske effekter vises dienet

som kan få to ulike strukturer:

Transform Eig. 37.7

Cisform

Geometriske effekter.

Disse kan ikke føres over i.hverandre på grunn av dobbelt-

bindingens manglende evne til rotasjon.

Cisformen danner

en forvridd, uregelmessig konfigurasjon og egenskapene blir gummiaktige.

Transformen får en regelmessig kjedestruktur

og materialet blir hardt og slagfast. Taktisitet skal illustreres med vinylpolymerer som

eksempel.

Vinylpolymerer har formen

Fig. 37.2

Vinylplastpolymer.

der R er en av atomgruppene vist i fig. 37.2.

Disse atom-

gruppene plasserer seg på annenhvert C-atom, men dette kan

gjøres på tre måter:

Isotaktisk der R-gruppene er plassert på samme side langs hele kjeden.

Kap. 37-7

Syndiotaktisk der R-gruppene er plasserte annenhver gang på hver side av kjeden.

Ataktisk der R-gruppene er tilfeldig fordelte på begge sider av kjeden.

Eksempelvis vil ataktisk polypropylen være omtrent

som tyggegummi mens isotaktisk polypropylen vil være en hard og formfast plast.

Dette forklares ved deres forskjellige

evne til å innordne seg i et regelmessig system, jfr. neste

avsnitt. 37.2.4

Krystallinitet

Rent generelt søker de polymere systemer å innta

den molekylkonfigurasjon som har lavest energi.

bevegelser er uttrykk for høyere energi.

Deres varme-

For å motvirke

dette prøver kjedemolekylene derfor å danne områder med

kjeder som ligger parallelt.

Det dannes en lamell der

kjedestykkene er orientert normalt på lamellplanet, fig. 37.8

Slike områder kalles krystallitter.

1-10

Fig. 37.8

Krystall ittstruktur etter kjedefoldingsteorien.

Innen krystallittene er avstanden mellom molekylene mindre enn ellers. De sekundære bindingene er derfor rela­

tivt høye og det kreves større energimengder for å oppnå formendringer. En.plast er derfor både stivere og sterkere jo høyere krystalliniteten er. Plaster har lettere for å danne krystallitter når kjedemolekylene har en regelmessig oppbygging. Dette

fremmes derfor av isotaktiske kjeder.

Ataktiske kjeder

derimot bidrar til at strukturen blir vesentlig mindre

regelmessig og krystallitt-dannelsen hemmes.

Kap. 37-8

Dannelsen av krystallitter skjer samtidig og uordnet overalt i materialet.

Det er derfor klart at

krystalliniteten aldri kan bli fullstendig.

Resultatet

blir en struktur der krystallinske områder ligger innleiret

i en amorf grunnmasse.

Krystallittene får høyere densitet

enn de amorfe områdene.

Mekanisk påkjenning kan bidra til å endre krystall­

initeten.

Strekking vil eksempelvis orientere molekylene

kraftig i en retning og krystalliniteten øker.

Ved fiber-

produksjon utnyttes dette og fibrene blir sterke i fiber-

retningen. *

37.2.5

Tilsetningsstoffer

37.2.5.1

Generelt

Variasjonsmulighetene i oppbygging av polymere mate­

rialer er meget store.

Økonomiske årsaker samt ulike bestan-

dighetsproblemer har medført at man som regel blander inn forskjellige tilsetningsstoffer for å korrigere polymerens egenskaper.

Derved kan den egentlige polymeren betraktes

som et bindemiddel som skal holde sammen blandingens ingredi­ enser til en sammenhengende masse. Noen av de viktigste typer tilsetningssstoffer er de

såkalte myknere, stabilisatorer, fyllstoffer, pigmenter, brann-

hemmende stoffer og antistatiske stoffer. 37.2.5.2

37.2.5.2.1

Myknere

Generelt

De fleste polymerer er i seg selv for harde og sprø

til å kunne anvendes praktisk og må derfor på en eller annen måte gjøres mykere og seigere.

For dette formål tilsettes

en mykner, spesielt for termoplaster, og dermed blir det mulig

å variere de elastiske egenskaper innen vide grenser.

For en

termoplast virker mykneren på en slik måte at bindingskreftene

37

Kap.

9

mellom polymerkjedene svekkes, hvilket gjør at kjedene lett­ ere kan forskyves seg imellom.

Myknere kan være av to prinsipielt forskjellige typer, ytre og indre myknere.

37.2.5.2.2

Ytre myknere

En ytre mykner er et stoff som øker elastisiteten gjen­

nom en oppløsende virkning.

Hvis tilsetningsmengden blir for

stor, får polymeren væskeliknende egenskaper uten noen mekanisk

styrke.

En ulempe ved denne type myknere er at de med tiden

kan diffundere ut med en etterfølgende forsprøing av plast­ materialet . 37.2.5.2.3

Indre myknere

En reduksjon av de intermolekylære kreftene kan også oppnås ved en sampolymerisasjon med et annet material eller

ved en kraftigere forgrening av molekylkjedene.

I begge disse

tilfeller er mykneren innebygd i strukturen og kan således ikke diffundere ut slik som en ytre mykner. Enkelte ganger kombineres begge typer myknere slik at

man lettere kan "skreddersy" sitt polymere material. 37.2.5.3

Stabilisatorer

Polymere materialer utsettes stadig for ulike aldringsfremkallende mekanismer, og for å beskytte polymeren mot slik

nedbrytning, tilsettes stabilisatorer av ulike typer.

Problemer

pga. nedbrytning blir nærmere omtalt i avsnitt 37.5.7.2.

Kap. 37 - 10

37.2.5.4

Fyllstoffer

Et fyllstoff kan bidra til å forbedre plastens egen­ skaper, men slike stoffer blir først og fremst brukt for å

gjøre sluttproduktet billigere.

Hvis tilsetningsmengden

blir for stor, vil nok prisen kunne reduseres, men de tek­ niske egenskaper vil også kunne bli tilsvarende redusert.

Rimelige mengder fyllstoffer kan for en termoplast være 10-20% og for en herdeplast helt opp til 50%.

Vanlige

typer fyllstoffer kan være steinmel, kritt, tremel eller

korkmel.

37.2.5.5

Pi2™enter

Det må stilles meget høye krav til de pigmenter som

blandes inn i en polymer.

Dels skal de tåle høye temperatu­

rer som oppstår under selve tilvirkningen av plasten, og dels

skal de være bestandige mot aldringsfremkallende mekanismer. Denne motstandsevne blir nærmere omtalt i avsnitt 37.5.7.2.

37.2.5.6

Brannhemmende_stoffer

Under en brann gjennomgår en plast tre ulike stadier: (a) Oppvarming (b) Nedbrytning (c) Antennelse

Under stadium (a) mykner en termoplast slik at den kan bli flytende og renne, hvilket medfører en risiko for brannspred-

ning dersom stadium (c) også inntreffer.

Herdeplaster viser

ikke en slik oppførsel på grunn av de sterke kjemiske bind­ ingskrefter som eksisterer mellom polymerkjedene. I stadium (b) nedbrytes selve polymeren slik at det

også blir avgitt gasser.

Slike gasser kan dels være lett

antennelige og dels virke korroderende på metaller i omgiv­ elsene.

Hvis gassen virker kvelende på antennelsen (c), så

Kap.

37 - 11

som f.eks. kulldioksyd, kan plasten betegnes som selvslukkende.

En slik effekt kan oppnås ved bruk av gassutviklende tilset-

ningsstoffer eller såkalte brannhemmende stoffer. De faktorer som påvirker antennelsen (c) er lufttempe­

ratur, oksygentilførsel og avgitte gasser.

Temperaturen hos

polymeren bestemmes også i høy grad av eksoterme nedbrytningsreaksjoner.

Ved å hemme slike reaksjoner med ulike tilset-

ningsstoffer, er det også mulig enten å forskyve eller helt

forhindre en antennelse (c). 37.2.5.7

Antistatiske_stoffer

Plaster er ofte elektrostatisk ladede, hvilket betyr

at de trekker til seg partikler med motsatt ladning.

For å

avlede den statiske elektrisitet kan plastmaterialet påføres

en hinne av f.eks. glycerin.

Et slikt ytre virkende stoff

har som regel bare en midlertidig virkning.

37.3

INNDELING AV PLASTMATERIALENE

37.3.1

Termoplaster

Termoplastene inndeles i amorfe og krystallinske

plaster uten at det finnes noe klart skille.

De er bygd

opp av linære molekyler sammenholdt av sekundære bindinger. Karakteristiske sider ved termoplaster er: -

De kan ha en flytende fase.

-

De kan løses i spesifikke løsningsmidler

-

De vil flyte irreversibelt ved høye tempera­

turer og tilstrekkelig høye spenninger. Den strukturelle oppbygging og dermed deres bruks­ egenskaper er avhengig av alle de faktorer som er be­ skrevet i avsnitt 37.2.1. I tabell 37.1 er en del av de

viktigste termoplastene og viktige sider ved dem vist.

Kap. 37

Tabell 37.1

Gruppe

Høykrystal­ linske

Viktige termoplaster. Eks. på handels­ navn

Typiske bruks­ områder

Lupolen Kostalen Marlex Alkathene Alathon

Husholdsart., beholdere, kasser, rør, plater, folier, filament, tekn. kjem. art. Husholdsart., beholdere, slange, kabel, folier, leketøy.

PP

Moplen Luparen Hostalen

Steriliserbare art., husholdsart., folier, tekn, art., plater, rør, filament.

PA6

Zytel Ultramid Maranyl

Lager, tannhjul, slitesterke maskindeler, bolt, rør, tape, fiber, filament.

POM

Alkon DeIrin Hostaform

Tannhjul, lager, slitasjesterke høyt belastede deler, rør, bolt, plater.

Teflon Fluon Hostaflon

Varme- og kjem. best. tekn, deler, lager, pakninger, elektrisk anv.

Polymer

For­ kort­ else

HDpolyeten

PE/HD

LDpolyeten

PE/LD

polypropen

polyamid 6

•

Polyoksymetylen

polytetrafluoreten PTFE

Lavkrystal­ linske

polyfenylenoksyd

PPO

PC

Makrolon Lex an

Slag- og dimensjonsfaste tekn. art., elektr. spesialdeler, gatelyskupler, sikkerhetshjelmer.

PVC

Norvinyl Trovidur Pevikon

Myke folier, plater, rør, folier, kabel, gulvbelegg, kunstlær, leker.

PS

Polystrol S tyron Styropor

Husholdsart., stiv emballasje, leker, elektriske spesialdeler, esker, folier, isolasjon.

polyPMMA metylmetakrylat

Perspex Diakon Plexiglas

Plater, skilter, optiske deler, husholsart., værbest. deler, tekn. art.

akrylnitrilbuta- ABS dienstyren

Novodur Cycalac Kralastic

Plater, rør, tekn, deler, hushodsart., innervegg kjøleskap, kofferter.

celluloseCA acelat

Cellidor Trolite Tenite

Film, tape, folie, verktøyhåndtak, leker, knapper, opt. art., husholdsart.

polykarbonat

polystyren

37.3.2

Slitebest. høyt belast., varmefaste tekniske deler.

PPO

poly­ vinyl­ klorid

Amorfe

12

Herdeplaster

Herdeplastene deles i harde og myke herdeplaster.

Når de i produksjonsprosessen har passert overgangen fra

væske til fast form, kan de aldri føres tilbake til flytende form.

Dette henger sammen med deres nettverks­

Kap. 37

struktur av primære bindinger.

13

Karakteristiske sider

ved herdeplastene er:

De har ingen flytende fase. De kan ikke løses i noe løsningsmiddel, bare

svelle.

De flyter ikke irreversibelt under sterke mekaniske påkjenninger eller ved høye tempe­

raturer . Det er først og fremst kjedestivheten og nettverks-

tettheten som bestemmer herdeplastenes egenskaper.

Myke

herdeplaster oppnås med et løst nettverk og myke kjeder mens det motsatte gir stive og sprø plaster.

Ved fram­

stilling av herdeplastprodukter setter en sammen en høypolymer grunnsubstans og tilsatsmaterialer for at plasten

skal få bestemte egenskaper.

I tabell 37.2 er en del av

de viktigste herdeplastene og viktige sider ved dem vist. Fig. 37.2

Gruppe

Myke herde­ plaster

Stive, harde Herde­ plaster

Viktige herdeplaster.

Polymer

For­ kort­ else

Naturgummi

NR

Butadienstyrengummi

SBR

Butadienakrylnitrilgummi

NBR

Eks. på handels­ navn

Typiske bruks­ områder

Bildekk og slanger, kileremmer, transp. bånd, pakn. vibrasjonsdempere, slanger, slitasjebeskyttende belegg, gulvbelegg, strikk. Bensin- og oljebest. tekn, deler, vibrasjonsdempere, slange, kabel, pakning.

Kloroprengummi CR

Bensin- og oljebest. tekn, deler, kjemikaliebest. tankanlegg, 0ringer, pakninger.

Silikongunnni

SR

Høy- og lavtemp. elektr. isolasjon, pakn., slange, 0-ringer.

Fenolformaldehyd

PF

Bakelitt

Svarte og brune tekn, og elektr. deler, håndtak, knotter, småhjul, toilettsaker.

Ureaformaldehyd

UF

Beetle Isopal Karpa1

Lyse og hvite tekn, og elektr. deler, kontakter, støpsler, brytere, skrukorker.

Melaminformaldehyd

MF

Catalin Ultrapas Mepal

Eletriske deler, kjøkkentøy, servise, tekn, deler.

Polyester (uarm.)

UP

Palatal Norpol Denofast

Innstøping av elektr. komponenter, knapper, dekorativt og arkitek­ tonisk bruk.

Epoksy (uarm.)

EP

Araldit Epikote Lekutherm

Innstøping av elektr. komp, presisjonsstøp, pressverktøy, sparkel, lim.

Poly­ uretan

PUR

Isolasjon, madrasser, emballasje.

Kap. 37

14

37.4

AGGREGATTILSTANDER

37.4.1

Glasstilstand og overgang til gummitilstand

.

Som for de fleste andre materialer vil også plastene

bli harde, stive og sprø når temperaturen senkes.

at plasten er i glasstilstand.

En sier

Den maksimale temperaturen

de forskjellige plaster kan ha og fremdeles være i glasstilstanden, varierer sterkt. Eksempelvis vil PMMA, ABS og PS være i glasstilstand opp til ca 100°C mens eksempelvis

PE og SR må kjøles til under -100°C for å komme i glasst Ustanden. I glasstilstanden er plastene tilnærmet ideelt

elastiske.

Molekylene er frosset fast i forhold til hver­

andre og den eneste bevegelse som finnes er atomenes vibra­

sjoner om sine likevektsposisjoner. Den temperaturen der en plast går over til glass­

tilstanden når den avkjøles, kalles glassovergangstemperaturen, Tg.

Overgangen skjer over et visst temperaturom-

råde, men Tg oppgis likevel som ett tall. Tg ligger høyt når bindingskreftene er høye og når kjedestivhetene er store.

Lange sidekjeder og myknere

senker Tg. I temperaturområdet omkring Tg vil varmesvingningene

hos atomene øke raskt med økende temperatur.

Kjedeseg-

menter beveger seg og kan rotere i forhold til hverandre. Dette innebærer at materialet kan formendres, det blir

mykt og gummiaktig.

En sier at det er kommet over i gummi­

tilstand .

37.4.2

Gummitilstand og overgang til væsketilstand I gummitilstanden er plasten i et temperaturområde

der molekylene har en viss begrenset bevegelighet.

Utsatt

for ytre påkjenninger tilstreber de en annen strukturell likevektstilstand .

Kjedene vil gli om hverandre.

Dette

er forbundet med energitap og prosessen vil være tids og temperaturavhengig.

Kap. 37 - 15

Økes temperaturen ytterligere, vil molekylenes bevegelsesaktivitet bli stadig livligere inntil svinge-

energien overstiger energien i de sekundære bindingene. De sekundære bindingene brytes da og molekylene beveger

seg relativt lett i forhold til hverandre.

Plasten er

blitt en viskøs væske. Både herdeplaster og termoplaster har sine glass-

tilstander og gummitilstander, men tilstandene er mest

typiske for termoplastene.

Herdeplastene har ingen

væsketilstand, men brytes ned når temperaturen over­

skrider en viss temperatur.

Dette går fram av fig. 37.9

der plastenes E-modul er brukt som karakteristikk for

tilstanden. For en del plaster kan en finne flere overgangs-

temperaturer som ligner på Tg. omtales her.

Fig. 37.9

Dette fenomen skal ikke

Aggregattilstander for amorf termoplast (a) og herdeplast (b).

Kap. 37 - 16

37.5

MATERIALEGENSKAPER

37.5.1

Generelt

Variasjon i plastenes egenskaper er som det for­

stås meget store både som følge av indre struktur og av ytre forhold.

På grunn av denne variasjonsbredden er

det derfor bare mulig å gi rent kvalitative redegjørelser for plastenes materialegenskaper.

37.5.2

Strekkfasthet

Hos vanlig forekommende plaster i handelen ligger 2 strekkfastheten hos den rene plasten i området 5-100 N/mm .

Men også innenfor én og samme plasttype kan strekkfastheten variere over et stort område med arten av hjelpe­ stoffer foruten at den er sterkt temperaturavhengig.

Det kan være verdt å merke seg at dannelsen av nettverksmolekyler nødvendigvis ikke behøver å innebære

økt strekkfasthet.

Den avstivende virkning av tverrfor­

bindelsene kan nemlig hindre at kreftene ved retnings-

orientering av molekylene fordeler seg jevnt over disse. Tilsetning av myknere medfører derimot i alminnelighet en reduksjon av strekkfastheten. Strekkfastheten målt ved langtidsforsøk er mye

lavere enn den en finner ved korttidsforsøk. Plastprodukter kan ved armering oppnå en vesentlig

høyere strekkfasthet enn den som svarer til den rene plastens, f.eks. ved bruk av glassfiber.

For glassfiber­

armerte polyester- og epoksy-plastlaminat kan man oppnå 2 strekkfastheter i området 100-900 N/mm , til tross for at 2 de rene plastenes strekkfasthet bare er 40-80 N/mm .

37.5.3

Deformasjon Arbeidslinjen for plastmaterialer varierer innen

meget vide kretser.

Plastene dekker hele skalaen fra

Kap. 37 - 17

sprø til meget seige materialer.

på dette.

Fig. 37.10

gir et eksempel

Samme variasjon kan oppnås med ett og samme

material ved å endre temperaturen.

Fig. 37.10

Arbeidsdiagram for to plasttyper, PS og PE.

Elastisitetsmodulen for plaster uten fyllstoffer 2 varierer mellom ca 100 og 5000 N/mm . Den kan økes

betydelig ved tilsetning av fyllstoffer og den påvirkes av temperaturen omtrent som strekkfastheten.

I alminne­

lighet har herdeplastene høyere E-modul enn termo-plastene som følge av tverrforbindelsenes avstivende virkning. Generelt viser plastmaterialene krypning, og denne

er som regel meget stor i sammenligning med andre byg­ ningsmaterialer.

Videre er krypningen større hos termo­

plaster enn hos herdeplaster.

Krypningen er dels av

viskøs natur, dels forsinket elastisk.

Arbeidet som skal til for å oppnå brudd i et plast­ materiale er svært forskjellig for de ulike plaster. under a-e-kurven uttrykker dette og i fig. eksempel på to ekstreme plasttyper.

Arealet

37.10 er vist

PE har vesentlig høyere

bruddarbeide enn PS. Bruddarbeidet er sterkt avhengig av temperaturen og

av tøyningshastigheten.

I glasstilstanden er bruddarbeidet

lavt mens det i gummitilstanden er vesentlig høyere.

Kap. 37 - 18

37.5.4

Utmatning Plastmaterialenes dynamiske utmatningsegenskaper

uttrykt i Wøhler- eller Smithdiagram atskiller seg ikke vesentlig fra dem en finner hos metalliske materialer.

Utmatningsgrensen er imidlertid knyttet til en viss kritisk tøyningsevne og ikke til et visst antall last-

vekslinger som eksempelvis for stål.

Denne kritiske

tøyningsevnen varierer en del, men ligger i størrelses­ orden 0,2-3 %. 37.5.5

Kjemiske egenskaper

Plastene har generelt sett god bestandighet mot kjemikalier.

Molekylær og strukturell oppbygging er

også her avgjørende for egenskapene som nok kan variere en del.

Det er vanskelig å sette opp enkle regler for

hvilke kjemikalier en plast tåler eller svekkes av.

Et

visst holdepunkt ligger likevel i uttrykket "likt løser

likt", men heller ikke dette gjelder generelt for plaster. Jfr. avsnitt 37.5.6. 37.5.6

Brannegenskaper

Plastene er organiske av natur og vil derfor i

større eller mindre grad delta aktivt i en brann.

Termo-

plastene vil smelte etter relativt kort tid, de flyter utover og brannarealet blir stort i motsetning til herdeplastene som forkuller og brenner uten å smelte.

Plastene

utvikler også farlig sot og røyk og giftige gasser (kar-

bonoksyder CO og CO2) under forbrenning.

Dessuten ut­

vikler eksempelvis PVC saltsyre som har sterk korroderende effekt på metaller og betong mv.

Nitrogenholdige plaster

kan gi hydrogencyanid (HCN) som er ekstremt giftig.

Plastenes branntekniske egenskaper kan bedres ved forskjellige tilsetninger, jfr. avsnitt

37.2.5.6.

Kap. 37 - 19

37.5.7

Bestandighet

37.5.7.1

Yolumbestandighet

Under kap.33 har vi allerede sett at temperaturbevegelsene er meget stor for plastmaterialene. Plastmaterialene oppviser også fuktbevegelser . De fleste plastene er hygroskopiske og vannsugende ved

lagring i vann.

Vannabsorbsjonen ved vannlagring er av

størrelsesorden 0-3 vektprosent.

De høyeste tallene har

noen plaster basert på cellulosederivater.

Verdiene blir

betydelig høyere enn dette dersom det inngår et vann-

absorberende fyllstoff, f.eks. papir.

Ved fukting og

tørking oppstår det bevegelser som f.eks. for polyamid (termoplast) går opp til 0,15-0,30 % lengdeendring pr prosent vann.

Foruten de hittil nevnte faktorer som er vanlig for alle bygningsmaterialer, finnes det hos plastene også andre mekanismer.

Et visst svinn kan f.eks. konsta­

teres ved overgang fra flytende eller myk tilstand til fast.

Hos valsede plastprodukter, f.eks. golvbelegg av

polyvinylklorid, kan det finnes innebygde spenninger.

Disse utløses ved en første oppvarming og dette gir svinn. Slike volumendringer er en engangsforeteelse.

Aldringsfremkallende_faktorer

37.5.7.2 37.5.7.2.1

Generelt

Aldring hos polymere

måter.

materialer kan måles på ulike

Vi kan f.eks. måle graden av fasthetsreduksjon,

forandringer i elektriske isolasjonsegenskaper eller reduk­ sjon av lystransmisjonsfaktoren. kan aldring foregå meget hurtig.

Under ugunstige forhold

Kap. 37 - 20

37.5.7.2.2

Temperatur

Både fasthet og krypning er for polymere materialer svært temperaturavhengig.

Typiske verdier er angitt i fig.

37.11.

Fig. 37.11

Effekt av temperatur og tid på krypbruddgrensen for en termoplast.

Ved en oppvarming påvirkes polymerene også gjennom oksydasjon og termisk nedbrytning.

Dette forandrer materi­

alenes sammensetning og medfører som regel også en misfarging, forsprøing og oppsprekking. Ofte kan man anta at aldringshastigheten fordobles ved en temperaturøkning på 10°C.

37.5.7.2.3

UV-stråling

Ultrafiolett og kortbølget stråling som er deler av vanlig sollys, er tilstrekkelig energirike til å forårsake

kjedebrudd og et øket antall tverrbindinger med etterfølgende forsprøing.

Angrepet resulterer som regel i et fint nettverk

av riss og sprekker i selve overflaten samtidig som materialet misfarges.

Kap.

37-21

Stabiliteten mot UV-stråling kan for mange polymerer

Disse virker på

økes ved tilsetting av UV-stabilisatorer.

en slik måte at de absorberer strålingsenergien og omvandler den til varmeenergi som ikke er så farlig.

37.5.7.2.4

Oksygen

Under påvirkning av varme eller UV-stråling vil luftens oksygen kunne oksydere polymere materialer.

En typisk oksy-

dasjon er vist på fig. 37.12.

c = c + o2

Fig.

37.12

=•

c—c 0

Oksydasjon av to dobbeltbundne kullatomer i en polymerkjede.

Varme gjør at oksygenet lettere kan bryte ned polymerkjedens bindinger, og UV-stråling gjør at større angrepsflater

frigjøres.

Spesielt er gummi ømfintlig for oksydasjon, og

visse kjemiske stoffer virker også katalyserende på oksyda-

sjonsprosessen.

Ved en oksydasjon svekkes bindingene i polymerkjedene og fastheten reduseres.

Oksydasjon gjør også polymeren sprø-

ere ved at det oppstår flere tverrbindinger.

Som beskyttelse mot oksydasjon tilsettes antioksyda-

Disse kan virke slik at de øker tøyningsevnen

sjonsmidler.

og derved reduserer sprekkdannelser, eller de kan under varmepåvirkning diffundere ut til overflaten og danne et beskyt­

tende belegg.

37.5.7.2.5

Ozon

Under strekkpåkjenning er selv de små mengder ozon som

finnes i atmosfæren tilstrekkelig for å angripe dobbeltbind-

inger mellom kullatomer i polymerkjeder.

Spesielt gjelder

Kap.

22

37

Molekylkjedene brytes ned, og materialet sprek­

dette gummi.

ker vinkelrett mot strekkspenningene.

Disse reaksjoner skjer

i materialets overflate og gir opphav til en karakteristisk "krakelering" .

Angrep av ozon motvirkes ved tilsetting av spesielle

antivirkende stoffer på tilsvarende måte som for oksydasjon.

37.5.7.2.6

Fukt

Fukt kan forårsake svelling, utlutning eller hydrolyse.

Svelling resulterer hovedsakelig i at overflaten blir mer ømfintlig for andre typer av angrep. Utluting innebærer at utgående vann tar med seg vann-

løslige tilsetningsstoffer. Hydrolyse er en nedbrytning av materialet under opptak

av vann.

For ulike polymerer som er ømfintlig for hydrolyse,

kan surt miljø påskynde prosessen.

Angrep av fukt motvirkes først og fremst gjennom et gunstig materialvalg. 37.5.7.2.7

Kjemikalier

De vanligste aldringsfenomener i forbindelse med kje­ misk angrep er oksydasjon, løsning ved væskeabsorpsjon og diffusjon.

Oksydasjon kan forårsakes av organiske forurensninger eller sterke oksydasjonsmidler.

Tilsvarende som ved luft-

oksydasjon er dette aldringsfenomen spesielt vanlig hos gummi. Løsning ved væskeabsorpsjon kan være alvorlig da mate­

rialets overflate blir "åpnet" slik at angrept kan gå i dybden. En olje vil f.eks. få polymeren til å svelle for deretter å angripe tverrbindingene slik at fastheten reduseres samtidig

som materialet blir sprøere. Diffusjon innebærer at myknere og andre tilsetningsstoffer med lav molekylvekt diffunderer ut mot overflaten.

Dette vil også kunne resultere i forsprøing og misfarging av plasten.

Kap.

37 - 23

Kjemiske angrep kan liksom fuktangrep best

forebygges

gjennom et gunstig materialvalg. 37.5.8

Forskjellige egenskaper

Densiteten hos plastmaterialer ligger i området 1-2.

Høyere verdier oppnås selvsagt dersom fyllstoffet

er finkornig eller pulverisert steinmaterial,

fliser for golvbelegg).

Varmeledningstallet er temmelig

lavt, normalt i området 0,23-0,35 W/mK. så lav verdi som 0,16.

(jfr. vinyl-

For PVC angis

Tallet stiger selvsagt når det

tilsettes mineralske fyllstoffer.

Spesielle varmeiso-

leringsmaterialer på plastbasis, skumplaster, jfr. kap. 27, har varmeledningstall ned på 0,029.

Hva angår optiske egenskaper gjelder det at mange

av plastene er transparente.

Visse plaster som styren-

plast og akrylplast, har så god lystransmisjon at de i

så henseende overgår vanlige glass-sorter.

37.6

ANVENDELSE AV POLYMERE MATERIALER

37.6.1

Generelt På grunn av sin allsidighet har polymere materialer

fått en meget omfattende og bred anvendelse i bygg- og

anleggssektoren. Man anvender ikke bare rene termo- og

herdeplaster, men polymere materialer inngår også som hoved-

bestanddel i en rekke materialer som lim, fugemasser, far­ ger osv. Egenskapene til disse materialer vil også i stor

grad påvirkes av egenskapene til de anvendte polymerer. Ved materialvalg må dette taes med i betraktning.

En og samme plasttype framstilles av en rekke pro­

dusenter.

Disse bruker da sine egne handelsnavn som

avviker sterkt fra de systematiske navn.

Her vil de

systematiske navn bli brukt og det vises til tabell 37.1 og 37.2

som viser en del handelsnavn.

Kap. 37 - 24

Termoplaster

37.6.2

Celluloseplast

37.6.2.1

Celluloseplastene er halvsyntetiske materialer. De har i dag liten interesse i bygningsindustrien da de

er lite holdbare og svært brennbare.

37.6.2.2

Styrenplast

Styrenplastene er helsyntetiske. Monomeren sty­ ren framstilles av eten og benzen. Polystyrenstoffene (PS) er sterke, men ikke seige. Slitasjemotstanden er god og de tåler temperaturer opp til 70-80°C og ned til

-40°C.

De gode egenskapene gjør at de blir mye brukt i

industri og husholdning. Polystyren kan ekspanderes ved poredannende midler

med en volumøkning på opp til 50 ganger plastvolumet. Dette skummet har gode isolasjonsegenskaper, jfr. kap. 27 Både styren-butadien (SB) og styren-akrylnitril

(SAN) er sterkere og seigere enn polystyren og brukes

f.eks. i kjøkkenartikler, serviser og til tekniske formål. Akrylnitril-butadien-styren (ABS) er både sterkt,

slagfast og varmebestandig.

Den har fått stor utbredelse

både i rør, instrumentpaneler, deksler, instrumenter,

sportsutstyr og tekniske artikler.

37.6.2.3

AkryIplast

Den viktigaste akrylplast er polymetylmetakrylat

(PMMA), "plexiglass". Den er krystallklar, lysekte, værbestandig og leder lys langt bedre enn vanlig silikatglass. Den er sterk og slagseigheten er sju ganger

større en silikatglassets. De gode lysgjennomgangsegenskapene og den store overflatehardheten gjør at

den anvendes mye i lysarmatur, urglass, briller, kon­ taktlinser, vinduer osv.

spesiell måte.

Materialet leder lys på en

Sendes lys inn på endeflaten på en lang

stang vil lyset ledes fram til motsatt ende selv om

Kap.

37

25

stangen går i slynger. Det kan sammenlignes med en slange.

Dette har gitt den spesielle bruksområder. 37.6.2.4

Polyalkener

Polyalkener er en gruppe plaster hvorav polyeten (PE) og polypropen (PP) er de viktigste.

De er av de mest

brukte plastmaterialene ved siden av PVC i dag. Polyeten framstilles ved polymerisering av eten som igjen er et produkt fra petroleumsindustrien.

Det er to

hovedtyper av polyeten, nemlig høytrykkspolyeten og lavtrykkspolyeten.

Disse betegnelsene har sammenheng med

arbeidstrykket under polymerisasjonsprosessen.

Høytrykks-

polyeten har mange sidekjeder som fører til lav krystalliDen betegnes derfor PEL hvor L står

nitet og densitet. for lavkrystallinsk.

PEL er myk og bøyelig.

Den brukes

til folier, rør, bæreposer, presenninger, leketøy, belegg

på papir og kartong osv. Lavtrykkspolyeten har få sidegrener og krystalliniteten og densiteten er høyere. H står for høykrystallinsk.

sterkere enn PEL.

Den betegnes PEH hvor

Den er vesentlig stivere og

PEH brukes til rør og emballasjekasser

av forskjellig slag.

Polypropen er nær beslektet med PEH, men stivere og mer varmefast.

Tråd, bånd og folier kan trekkes flere

hundre prosent og blir da mye sterkere i strekkretningen. Det er de krystallinske termoplastene som har denne egen­ skapen.

37.6.2.5

Polyamid

Polyamid (PA) , "nylon", har høy styrke, er seig

og svært slitesterk.

Den brukes derfor mye innen tekstil­

industrien, men også til en rekke andre formål som f.eks. børster, koster, tannhjul, lager

holdningsmaskiner,

(uten smørning), hus-

legeinstrumenter , elektriske appa­

rater, leketøy, dørhåndtak, propeller osv.

Kap. 37 - 26

t

37.6.2.6

Vinylplaster er en viktig gruppe og omfatter

polyvinylidenklorid (PVDC), polyvinylacetat (PVAC) og

polyvinylklorid (PVC) med den siste som den viktigste.

Polyvinylklorid framstilles av vinylklorid som er et produkt fra petrokjemisk industri.

i pulverform.

Råstoffet leveres

Den er vanskeligere å forarbeide enn andre

plaststoffer fordi differansen mellom formingstemperatur

og nedbrytingstemperatur er liten.

De kan være fra de helt

innvirker sterkt på egenskapene. harde til helt gummiaktige.

Mengden av mykner

En del myknere forsvinner

med tiden og plasten blir sprøere.

PVC er bestandig mot

sterke syrer og alkalier, det er sterkt og seigt og

slitestyrken er stor.

PVCs motstand mot kjemikaler av­

tar med stigende temperatur.

PVC må stabiliseres for å

tåle direkte sollys i lengre tid.

Den kan sveises med

de kjente sveisemetoder for termoplaster.

PVC-plast har oppnådd en rekke bruksområder. Innen bygningsbransjen er golvfliser, profilerte lister,

rør, profilerte og plane

plater samt folier av forskjellig

art de viktigste produkttyper.

PVC-skum finnes både i

hard og myk utførelse og benyttes blant annet til isolasjon.

Polyvinylacetat (PVAC) anvendes stort sett i limtyper, dispersjonsmalinger, som bindemiddel i golvbeleggmasse, i sandsparkel og som tilsetning til betong.

37.6.2.7

Polykarbonat

Polykarbonat (PC) har meget stor hardhet og er

usedvanlig motstandsdyktig mot slag og støt. høye temperaturer og er nesten vannklar.

Det tåler

Det benyttes

derfor blant annet til kupler o.l. for lysarmatur.

Kap.

37

27

Herdeplaster

37.6.3

37.6.3.1

Fenolplast

Den viktigaste av fenolplastene er fenolformal-

dehyd (PF) som er sammensatt av fenol og formaldehyd. Den kalles ofte bakelitt og inneholder da tilsetninger

som trepulver, tekstilfibre eller asbest. Bakelitt har stor styrke og hardhet, den er slitesterk, men

sprø. Ved pressing framstilles en rekke tekniske

artikler.

Den kan ikke brukes som emballasje for mat­

varer fordi den kan avgi lukt og smak.

I bygningsbransjen

brukes mye Bakelitt både i platelaminater sammen med

kraftpapir, i maling- og lakk og i vannfaste, varmeherdende limtyper.

37.6.3.2

^minoplast

De to viktigaste aminoplasténe er urea-formaldehyd

(UF) og melamin-formaldehyd (MF). I likhet med fenolplast­ ene omsettes urea og melamin med formaldehyd.

Urea-formaldehyd er et av de billigste plast­

materialene på markedet og dette har ikke minst gjort at det har vunnet betydelig innpass på flere felter innen bygningsbransjen.

Hovedanvendelsen er dog først og fremst

som lim for framstilling av finer samt bindemiddel forframstilling av en egen skumplasttype som fortrinnsvis

benyttes til isolasjon av gamlo hus ved at karbamidskummet sprøytes inn i hulrom i veggene.

Melaminformaldehyd ligger i en høyere prisklasse og benyttes derfor på mer begrensede områder innen byg­

ningsbransjen.

En karakteristisk anvendelse er impregnering

av dekorert eller mønstret papir som benyttes som topp­ sjikt ved en rekke platetyper.

Særlig kjent er anvendelsen

som toppsjikt på plater av fenolplastkraftpapir-plater, samt til toppsjikt på sponplater.

Kap. 37 - 28

37.6.3.3

Urnettet_polyester

Umettet polyester (UP) er en plasttype som til

konstruksjoner vanligvis benyttes sammen med glassfiberarmering. Av denne grunn finner vi ofte benyttet uttrykket "glassfiberplast". De gode muligheterne man

har for å legge inn armering i plastopplegget, er kanskje den største fordel ved umettet polyester, for derved oppnår man en betydelig forbedring av de mekaniske egenskaper.

Innen bygningsindustrien er glassfiberarmert

polyester anvendt i stor utstrekning til framstilling av profilerte og plane plater samt til lyskupler.

Videre

til korrosjonsbeskyttende belegg på betong og stålkon­ struksjoner samt til golvbelegg.

Utsiktene for økt an­

vendelse og derav følgende prisreduksjon er større enn

for noen annen herdeplast. I motsetning til umettede polyestre er lineære polyestre termoplaster.

Disse brukes til tekstilfibre

og kjente handelsnavn er Terylene og Dacron.

Alkyder er en tredje type polyester som tilhører herdeplastene.

En rekke av de mest kjente malingtyper

i dag baseres på alkydtyper, f.eks. forskjellige typer

husmaling, emaljelakker, industrimalinger, golvmaling og

golvlakk.

Sammen med aminoplaster brukes alkyder til

industrilakker hvor tørkingen ofte framskyndes ved opp­

(brennlakkering).

varming

37.6.3.4

Epoksy

Epoksyplastene (EP) kan i likhet med umettede polyestere armeres med glassfiber og gir konstruk­

sjoner med særlig gode mekaniske egenskaper.

Epoksy­

plastene anvendes også uten armering og i denne form er de mest kjent innen bygningsindustrien.

De brukes da

som korrosjonsbeskyttende malinger og belegg, samt til

golvbelegg.

Til reparasjon av betongbrudekker brukes

epoksy-sand mørtler.

Slike mørtler herdner uten svinn

og har derfor funnet anvendelse til skjøting, f.eks.

feste av prefabrikerte søyler til deres fundamenter.

Kap.

37.6.3.5

37

29

ESlYiJZÉtÉD

Polyuretanplastene (PUR) er best kjent som polyuretanskum i madrasser og møbler. Stivt polyuretan-

skum brukes som isolasjon i kjøleskap, bygningsplater, elementer, emballasje o.l.

I den senere tid har polyuretan også blitt mye brukt i lakkindustrien, særlig til hurtigtørkende lakker.

Et nytt bruksområde for polyuretan er støping av såkalte integralskum.

Denne prosessen gir en hard og

glatt overflate med cellestruktur innvendig.

På denne

måten kan ferdige bygningsdeler produseres.

37.6.4

Identifisering av polymere materialer

Ved enkle hjelpemidler som en flamme, noen tenger,

dråpeflasker med konsentrert saltsyre og en blanding av 1 del saltsyre til 3 deler salpetersyre (konsentrerte syrer), kan man grovt identifisere de vanlige plastene.

Dette blir hva man kan betegne som "tommelfingerregler", men likevel til stor nytte.

37.6.5

Produktoversikt

Under den korte presentasjon av de viktigste plasttypene er allerede noen av de viktigste anvendelses­

områdene blit nevnt.

For oversiktens skyld er imidlertid

nedenfor oppsummert de viktigste og mest kjente bygnings-

produkter hvor plast enten helt eller delvis er benyttet.

PROFILERTE PLATER OG BØLGEPLATER: PVC, glassfiberarmert polyester. KUNSTSTEINPLATER: Umettet polyester sammen med utvalgte

steinsorter.

PANELER: Fenolplast sammen med kraftpapir og med melaminimpregnert dekorsjikt, PVC.

Kap.

37

30

TAPETER:. PVC.

GOLV OG VEGGFLISER: PVC, polystyren.

GOLVBELEGG: Umettet polyester, epoksy. FOLIER: Polyeten.

LYSKUPLER: Akrylater, glassfiberarmert polyester. SKUMPLAST: Polystyren, polyuretan, PVC, fenolplast,

ureaplast. RØR: Polyeten, polypropen, PVC, ABS, umettet polyester. ELEKTRISK MATERIELL: Fenolplast, ureaplast, polyester.

ELEKTRISKE KABLER: PVC.

TAKRENNER OG NEDLØPSRØR: PVC, polypropen.

MALING OG LAKK: Alkydharpikser, PVAC, akrylater, poly-uretaner, PVC, urea- og melaminharpikser , polyester,

epoksyforbindelser.

LIM: Neopren, polystyren, PVAC, ureaplast, fenolplast, epoksyplast.

SANITÆRMATERIELL: Akrylater, glassfiberarmert polyester,

PVC.

LITTERATUR

Stoffet er hovedsakelig hentet fra:

/l/

Markestad, A. og Maage, M.:"Bygningsmateriallære, bind 2", Tapir, Trondheim, 1978.

/2/

Modéer, M.:"Polymera material och deras bestan­

dighet", Byggnadsmateriallåra, Tekniska Hogskolan i Lund, Sverige, 1975. I disse refereres til:

/3/

Meland, T.:"En kort innføring i plastteknologi",

forelesninger NTH, febr., 1964.

Kap.

37 - 31

/4/

Spillum, E.:"Anvendelse av plast i bygningstek­ nikken", Bygg, nr 6, s 121-129, 1964.

/5/

Heggstad, R., Myran, R.:"Om bruk av plast ved bygging og vedlikehold av betongdammer", Bygg, nr 6, s 131-136, 1964.

/6/

Torp, A., Græe, T.:"Forsøk med karbamidskum i bindingsverksvegger" , Bygg, nr 6, s 117-120, 1962.

/7/

Palmgren, H.:"Plast som konstruksjonsmaterial", Teknisk Tidsskrift, h 6, s 111-116, 1964.

/8/

Knappe, W.:"Grundlagen fur die Berechnung definiert beanspruchter Bauteile aus Kunststoff", VDI-Zeitschrift, nr 20, s 853-861, 1965 og nr 22, s 1085—1093, 1965.

/9/

Norges Byggstandardiseringsråd,:"Norske stan­ darder for plastrør", NS 2940-3064.

/10/ Saare, E.:"Åldringsbeståndighet hos byggnadsmaterial av plast", Teknisk Tidskrift, h 32, 1960 .

/Il/ Holliday, L.:"Composite Materials", Elsevier Publ. Co., London, England, 1966. /12/ Milaszewski, E.:"Plastbetong-morgondagens byggnadsmaterial", Teknisk Tidskrift, nr 6, s 121-122, 1965.

/13/ Svenska Plasforeningen:"Kort om plast", Stock­ holm, Sverige, 1956. /14/ Svendsen, S.D.:"Avrettningsmørtler med plast", NIFs konferanse om betonggolv, Oslo, 1965. /15/ Hovde, P.J.:"Branntekniske egenskaper hos glass­ fiberarmert umettet polyester (GUP) och polyvinyl­ klorid (PVC) med og uten tilsetningsstof fer", Bygningsmateriallære , NTH, 1976.

/16/ Meland, T.:"Plastmaterialers oppbygging og egen­ skaper", Universitetsforlaget, 1976. /17/ SINTEF avd. 62:"Plast i bygningskonstruksjoner (PIB)", sluttrapport, NTNF-prosjekt B 1050.0193, SINTEF, Trondheim, 1977. /18/ Norsk PlastforeningInformasjon om plast. Hva er plast", NPF, Oslo, 1974.

Kap.

37 - 32

/19/ Schifter-Holm: "Introduktion till plastmaterialer", Akademisk forlag, Køpenhavn, Danmark, 1963.

/20/ Rånby et al:"Plast inom byggnadstekniken", program­ skrift 13, Statens Råd for Byggnadsforskning, Stock­ holm, Sverige, 1971. /21/ Friberg:"Så påverkar miljon polymera material", Plastvårlden, nr 3, 1970. /22/ Sundén:"Plasternas grundlåggande egenskaper", Byggmåstaren, nr 10, 1969.