MALZEMELERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ DOÇ. DR. METİN İPEK

MALZEME ÖZELLİKLERİ Teknolojik özellikler Kimyasal özellikler Mekanik özellikler Fiziksel özellikler Geometrik özellikler Termik özellikler (Isıl Özellikler) Akustik özellikler (Ses Obsorbsuyonu) Elektriksel özellikler (İletkenlik, yalıtkanlık v.b )

Fiziksel özellikler Birim Ağırlık, Özgül Ağırlık, Porozite, Kompasite (doluluk), Su Emme, Doyma Derecesi, Geçirimlilik, Rötre ve Şişme, Kapilarite (Kılcal Su Emme).

Fiziksel özellikler Genellikle inşaat sektöründe kullanılan taş yapılı (Kagir) malzemeler değişik tür ve büyüklükte boşluklar içerirler. Bu boşluklar malzemenin birim alırlığını, kompozitesini, porozitesini, su emmesini, geçirimliliğini, donmaya dayanıklılığını, kapileritesini, mukavemetini, ısı ve ses yalıtımını önemli derecede etkileyen bu özellikler Fiziksel özellikler olarak adlandırılmaktadır. Kılcal Boşluk Kapalı Boşluk Açık Boşluk

Birim Ağırlık Malzemenin boşlukları dahil olmak üzere olmak üzere birim hacim ağırlığıdır. Düzgün şekilli malzemelerde ağırlık ve hacimler ölçülerek birim ağırlık bulunur. Ağırlık P P Birim Hacim Ağırlık = -------------- = ----- = ------ Bütün Hacim V v+d v Boşluk Dolu d V

Birim Ağırlık Deneyi Cisim Basit Bir Geometrik Şekle Sahipse: Cisim, 100-105 0 C etüvde değişmez ağırlığa kadar kurutulur ve tartılır. Cismin boyutları ölçülerek hacmi belirlenir. P0 V β : Birim ağırlık, P 0 : Kuru ağırlık, V g : Görünen hacim (axbxc) g

Birim Ağırlık Deneyi Cisim Düzgün Şekilli Değilse: Cisim, 100-105 0C etüvde değişmez ağırlığa kadar kurutulur ve tartılır (P0). Cisim suda 48 saat bekletilip, suya doygun hale getirilir ve tartılır (P1). Suya doygun haldeki numune su içinde tartılır (P2). Arşimet prensibine göre, P1-P2 azalması, cisim ile yer değiştiren suyun ağırlığına eşittir. Suyun özgül ağırlığı 1 olduğu için bu ağırlık azalması, cismin görünen hacmine eşittir. β : Birim ağırlık, P0 : Kuru ağırlık, P1-P2: Görünen hacim. P0 P1 P2

Özgül Ağırlık Özgül ağırlık dolu hacme göre hesaplandığından daima birim ağırlıktan büyüktür. Eğer malzemede boşluk yoksa, melallerde olduğu gibi, özgül alırlıkla birim ağırlık eşit olur. Özgül ağırlığı ölçmek için boşluklu cisim kuru halde öğütülerek ince toz haline getirilir, sonra 74 mikron göz açıklıklı elekten elenir. Elekten geçen ince tozların bir kısmı tartılarak kütlenin ağırlığı bulunur, sonra aynı kütle içinde sıvı bulunan bir dereceli kaba (piknometre) konarak hacmi ölçülür. Ağırlık bu şekilde bulunan hacme bölünerek özgül ağırlık hesaplanır.

Özgül Ağırlık Deneyi Cismin kuru ağırlığının dolu hacme oranıdır. Boşluklu cismin dolu hacmini bulmak için: o cisim kuru halde öğütülerek ince toz haline getirilir, o 74 µ göz açıklıklı elekten elenir, o elekten geçen ince tozların bir kısmı tartılarak ağırlığı bulunur, o tartılan malzeme içinde inert sıvı bulunan piknometreye konur, o hacimdeki artış, toz malzemenin hacmini verir.

Özgül Ağırlık Deneyi kuru ağırlık Po D dolu hacim V d Po son okuma-ilk okuma Deneyde tuğlanın özgül ağırlığı bulanacaktır. Bunun için, 10 g öğütülmüş halde tuğla tozu kullanılır. Özgül ağırlık, dolu hacme göre hesaplandığı için birim ağırlıktan büyüktür. Eğer malzemede boşluk yoksa, plastiklerde, metallerde olduğu gibi özgül ağırlıkla birim ağırlık eşit olur

Özgül Ağırlık Malzemenin boşlukları çıkartıldıktan sonra birim hacmine karşılık gelen ağırlığıdır. Ağırlık W W Özgül Ağırlık = ---------------- = = Dolu Hacim d V-v v Boşluk Dolu d V

Porozite Malzemedeki boşluk oranına denir. Boşluk Hacmi v V-d d Porozite = ------------------ p = ------- = ------- = 1- ----- Bütün hacim V V V v Boşluk Dolu d V

Kompasite (doluluk) Malzemedeki doluluk oranına denir. Dolu Hacim Kompasite = k = Bütün hacim d V Boşluk Dolu v d V

Su Emme Deneyi Cismin bünyesinde ne kadar boşluk olduğuna dair bilgi verir. Dona dayanıklılığı saptama yönünden önemli olan dışa açık boşluklardır, bu boşluklar da su emme deneyi ile ölçülebilir. 1. Ağırlıkça su emme 2. Hacimce su emme

Su Emme Malzemenin birim ağırlık veya hacminin emmiş olduğu su yüzdesi olarak belirtilir. k = Sa= B.H.A P 2 -P 1 P 1 x 100 ve hacim yüzdesi olarak su emme: P 2 -P 1 (P 2 -P 1 ) P 2 -P 1 Sh= x 100 = x 100 = x B.H.A % V P 1 /B.H.A P 1 Yani Sh = Sa x B.H.A Sa Sh P 2 P 1 : Ağırlık olarak su emme yüzdesi : Hacim olarak su emme yüzdesi; : Su emdirilmiş ağırlık : Kuru ağırlık

Doyma Derecesi Malzemenin boşluklarının hangi oranda su ile dolduğu gösterir. Su emme (% hacim olarak) Doyma Derecesi = = D = Porozite Sh P Donan suyun hacmi yaklaşık olarak % 10 kadar genişler. Boşluklar tamamen su ile dolmuş ise, don esnasında meydana gelen hacim artması (buz basıncı) malzemeyi parçalar. Malzeme %80 oranına kadar su ile dolmuş ise suyun buz haline geçerken genleşmesi için yeterli boşluk vardır. Doyma derecesi %80 ve daha küçük olan malzemeler yani, içinde % 20 veya daha fazla boşluk kalan malzemeler genellikle dona dayanıklıdır diye kabul edilirler.

Fiziksel özellikler bağıntıları W = = d d k = = V W V-v B.H.A W B.H.A = = V W v+d v V-d d P = = = 1 - V V V W 2 -W 1 Sa= --------- x 100 W 1 W 2 -W 1 (W 2 -W 1 ) W 2 -W 1 Sh= x 100 = x 100 = x B.H.A %= Sa x B.H.A V W 1 /B.H.A W 1 Sh D= P

Örnek 23x11x6 cm boyutunda bir tuğla kuru olarak tartıldığında 2600 gr. gelmektedir. 24 saat su altında tutulduktan sonra 3000 gr gelmektedir. Bu tuğlanın bir parçası öğütülüp elekten geçen kısımdan 50 gr. alınıp dereceli kapta hacmi 17,5 cm3 bulunuyor. a) Birim hacim ağırlık B.H.A =? b) Özgül ağırlık =? c) Kompasite k =? d) Porozite p =? e) Su emme Sa, Sh =? f) Doyma derecesi D =? g) Bu tuğladan donmaya dayanıklılık beklenebilir mi? Not : Boşluklu malzemelerin donmaya karşı dayanıklı olması için doyma derecelerinin % 80 den küçük olması gerekir.

Çözüm : P kuru = 2600 gr P yaş = 3000 gr V= 1518 cm 3 P numune = 50 gr. Vd numune = 17,5 cm 3 a) B.H.A = 1,71 gr/cm 3 b) = 2,86 gr/cm 3 c) k = 0,60 d) p = 1- k =1 0, 60= 0,40 e) Sa= 0,15 Sh = SaxB.H.A = 0,15x1.71=0,256 % 26 f) D= %64 g) D = % 64 < % 80 olduğundan donmaya dayanıklılık beklenir.

Kapilarite (Kılcal Su Emme) Kılcal su emme malzemenin suya değen yüzünden zamanla emilen su miktarı ile belirlenir. Çok küçük çaplı boşluklar içinde kılcallık etkisi ile su yükselir (Şekil a). Düşey boruda suyun yükselme miktarı suyun yüzey gerilimi ile doğru, boru çapı ile ters orantılıdır. Küçüldükçe su daha yükseğe emilir.

Kapilarite (Kılcal Su Emme) a) Kapiler Emme b) Yüzeysel emme

Kapilarite (Kılcal Su Emme)

Kapilarite (Kılcal Su Emme) Bir taş yapılı malzemenin kılcallık özelliğini saptamak için prizma şeklinde numunenin önce kuru ağırlığı tartılır, sonra suyun yüzüne değecek şekilde kaba yerleştirilir. Belirli zaman aralıklarında yapılan ağırlık ölçmeleri ile emilen su miktarları bulunur (Şekil b). Yapılarda kılcal etki ile emilen sular zamanla buharlaşırken verdikleri tuzları geride bırakarak sıva ve badanayı bozarlar, ayrıca rutubet oluşturarak sağlık yönünden sakıncalıdır. Bu sakıncaları önlemek için suyun girdiği yüzeyler zengin çimentolu sıvalar, boyalar, bitüm ve benzeri malzemelerle yalıtılır.

Kapilarite (Kılcal Su Emme) q 2 = k t q= Birim alandan emilen su miktarı, (cm 3 /cm 2 ) t = Geçen zaman (sn) k= Kapilerite katsayısı (cm 2 /sn)

Örnek Problem 1 30x30 cm boyunda bir beton karo, kapiler su emme deneyinde 20 dakika su ile temasta kalmış, bu süre içinde 40 gr. su emmiş olsun kapilerite katsayısı nedir? Q = 40 gr = 40 cm 3 A = 30x30 = 900 cm 2 t = 20 dakika = 1200 saniye q 2 = k t Q 2 k t = ---- A 2 40 2 k 1200 = -------- k=1,64.10-6 900 2

Örnek Problem 2 Bir tuğla numunesi kuru olarak tartıldığında 2400 gr geliyor. 11x23 cm boyutunda olan alt yüzü su ile temasa getirilip kapiler su emme deneyine tabi tutuluyor. Deneyde 1 saat sonunda numune yüzeyi kurulanarak tartılıyor ve 2725 gr bulunuyor. a) Bu tuğlanın kapilerite katsayısını hesaplayınız. b) Hacim oranı cinsinden su emme miktarı en çok % 26,4 olacağı biliniyorsa, bu tuğladan yapılmış bir duvarın zeminden aldığı rutubeti 3 m yukarıdaki üst kata iletmesi için kaç günlük zaman geçecektir. t = 1 saat = 3600 sn. Q = 2725 2400 = 325 gr A = 11x23=253 cm 2 Q 2 k t = ---- k = 4,5x10-4 A 2

Örnek Problem 2 b) Hacim oranı cinsinden su emme miktarı en çok % 26,4 olacağı biliniyorsa, bu tuğladan yapılmış bir duvarın zeminden aldığı rutubeti 3 m yukarıdaki üst kata iletmesi için kaç günlük zaman geçecektir. A = 1 cm 2 H = 300 cm olan bir sütun göz önüne alalım. Bu sütunun hacmi V = 300 cm 3 ve emeceği su miktarı Q = 300x0,264= 79,2 cm 3 olacaktır. Tuğla duvarın bu kadar suyu emmesi için geçecek zaman Q 2 k t = ---- A 2 4,5 x 10-4 x t = 79.2 2 t=1.39x10 7 sn = 161 Gün olur. Şayet duvar 161 gün sürekli su etkisinde kalırsa rutubet 3 m yukarıya çıkabilir.

Geçirimlilik (Permeabilite) Malzemenin bir basınç farkı etkisiyle suyu bir taraftan diğer tarafa geçirme yeteneğine geçirimlilik denir. Bu özellik, belirtilen koşullarda birim alandan, birim zamanda geçen su miktarı ile tanımlanır ve geçirimlilik (permeabilite) katsayısı ile ifade edilir.

Geçirimlilik (Permeabilite) Basınç altında akışkanların boşluklu malzemelerin içinden geçmesi doğaldır. Ayrıca basınç olmaksızın doğal koşullarda kılcal etki nedeni ile boşluklu malzemelerde su geçirimliliği oluşabilir. Gaz veya sıvı haldeki akışkanlara karşı malzemelerin geçirimliliği inşaat mühendisliğinde önemli sorun sayılmaktadır.

Geçirimlilik (Permeabilite) Örneğin genellikle yapılarda yağmur suyunun içeriye geçmemesi, buna karşılık su buharının içeriden dışarıya geçmesi istenir. Bu nedenle kullanılacak boya ve sıva malzemelerinin su ve buhar geçirimliliklerinin deneylerle saptanması gerekir. Basınçlı su geçirimliliği su depolarında, beton borularda ve barajlarda kullanılan malzemeler için önemlidir.

Geçirimlilik (Permeabilite) P Q q=k ----, q=-----d At q = Birim zamanda birim alandan geçen su miktarı, (cm3/cm2sn) P = Su basıncı (Su sütunu yüksekliği- cm), d = Numune kalınlığı (cm), k = Geçirimlilik katsayısı (cm/sn) A = Kesit alanı (cm2 )

Akustik Özellikler (Ses Absorbsuyonu) İnsanların yaşadığı yapılarda akustik yönden konfor sağlamak için malzeme ve yapı düzeni ile ilgili iki önemli etken vardır. Bunlardan biri sesin yansıması veya yankı, diğeri de ses iletimi veya bunun tersi ses yalıtımıdır. Ses insanların algılayabildiği frekansta basınç dalgası halinde yayılır ve rastladığı cisme basınç dalgası olarak etkir. Bu basınç dalgasının enerjisi sesin şiddetini, frekansı da tonunu belirler. Ses enerjisi çok küçüktür ve uygulamada desibel (db) denen bir birimle ölçülür.

Şiddetlerine göre ses türleri Ses kaynağının türü Şiddeti, db Ses işitilmez 0 Fısıltı 10 Hafif alçak sesle konuşma 20 Özel bürolar, sessiz evler 30 Normal Konuşma 50 Sokak, büro gürültüleri vb. 60-70 Kulakta acıma hissi veren patlama 100-120 Sesin şiddetinden başka frekansı da önemli bir etkendir. İnsan kulağı 30 Hz ile 20.000 Hz arasında kalan frekansları duyabilir. 250 Hz den aşağısı düşük, 250-1000 Hz arası orta, 1000 Hz den yukarı olanlar yüksek frekanslı sayılır.

Ses Emilmesi Ses dalgası havada ilerlerken bir cisme çarptığı andaki enerjisi E 1 ise bunun E 2 kadarı cismin yüzeyi tarafından yansıtılır, geri kalan kısmı da cisim tarafından emilir veya yutulur. Buna göre cismin yüzeyinin ses emme sayısı, = E 1 -E 2 / E 1 olarak tanımlanır. Yansıma fazla olursa yankı yaparak işitme koşullarını bozar. Yansımanın az olması için E 2 nin küçük, dolayısıyla nın büyük olması gerekir.

Malzeme Çeşitli malzemelerin ses emme sayıları Ahşap 0.10 Beton, sıva, cam,tuğla 0.02 Cam lifi levha 0.70 Kumaş, halı 0.30 Açık pencere ve boşluk 1.00 Ses Emme Katsayısı ( ) Ses emme yeteneği frekansa da bağlıdır. Halı, kumaş, sünger elyafı gibi yumuşak malzemeler orta ve yüksek frekansları, delikli rijit levhalar (alçı blokları) alçak ve orta frekansları emer.

Akustik Özellikler Açık havada yansıma yoktur, ses zor duyulur. Kapalı yerlerde ise yansıma fazla olur, sesler karışarak anlaşılamaz hale gelebilir. Bir kaynaktan çıkan ses duvarlara çarpıp tekrar tekrar yansırsa sesin sönmesi gecikir, buna yankılama (reverberasyon) denir. Sesin ilk şiddetinin milyonda birine düşmesi için geçen süreye de reverberasyon süresi denir. Odadaki yüzeylerin emme yeteneği çok yüksek ise bu süre çok küçük olur, ses çabuk kaybolur ve duyulması güçleşir. Eğer bu süre yüksekse sönme gecikir, yansıyarak uğultu yapar, işitme bozulur. Oda duvarlarında ve döşenecek yüzeylerde uygun emme sayısına sahip malzemeler kullanarak bu süre 1-2 sn. gibi uygun sınırlar arasına getirilir.

Ses Yalıtımı Ses dalgalarının yansıdıktan sonra geri kalan kısmı malzeme içinden geçerken bir kısmı yutulur ve öbür tarafa zayıf olarak çıkar. Bir duvarın ses yalıtım özelliği duvara gelen ses şiddeti Eg ve duvardan çıkarak iletilen ses şiddeti Ei ye bağlı olarak aşağıdaki bağıntı ile tanımlanır. Söndürme sayısı= D = 10 log Eg/Ei Burada D ses yalıtım sayısıdır ve birimi desibeldir. Burada giren ve çıkan ses şiddetleri watt/cm2 cinsinden ölçülür. Normal konuşma sesi 40 db olduğuna göre bir duvarın ses yalıtım veya söndürme sayısı en az 40 db in üstünde olursa ses arka bölmedeki komşular tarafından duyulmaz.

Termik Özellikler Genleşme Katsayısı Bir cismin sıcaklığının 1 C artması halinde birim boyunda meydana gelen artmaya genleşme katsayısı denir ve ile gösterilir. Bir çubuğun boyu ilk boyu (L 0 ), ( t) sıcaklık artışı halindeki boy uzaması ( L) ise bu; L=. L 0. t formülü ile ifade edilir. Yeni boy ise (L= L 0 + L) şeklinde belirlenir.

İlk boyu (L) olan bir malzemede sıcakllığın (t) kadar artmasıyla meydana gelen; t =. L0. t. t L 0 lik Bir şekil değişimi cisim şayet serbest değilse yapamayacak, dolayısıyla elastik sınırlar içinde kalacaktır. ( t = E. t = E.. t ) gibi bir gerilme meydana gelir.

Bu gerilmeler özellikle demiryolu raylarında,beton yol ve pistlerde meydana gelir. Bu gibi inşaatlarda kullanılma anında sıcaklığın ( t) kadar artacağı birbirine temas edince belli bir ( ) gerilmesini ala bileceği önceden tahmin edilerek ara mesafe inşaat sırasında ona göre bırakılır.. L0. t. t L t 0 L t - L L lik 0 t t.. E

1. Uzunluğu 5 m olan bir betonarme kiriş +10 0 C de dökülmüştür. a) Yazın hava sıcaklığı 55 0 C olduğunda, b) Kışın -20 0 C sıcaklıkta kirişte meydana gelecek şekil değiştirme ve gerilmeler ne olur. α = 10x10-6 1/ 0 C, E = 3x10 5 kgf/cm 2 2. Bir Apartmanda 100 m 2 alanlı ara kat Dairenin sıcaklığının + 20 0 C de sabit kalması istenmektedir. Dairenin üst katındaki daire boş ve sıcaklığı 5 0 C, alt dairenin ise + 10 0 C dir. α dış =25 kcal/m.h.c, α iç yukarıya doğru = 8, aşağıya doğru =6 verilmektedir. Döşeme kesiti aşağıda verildiğine göre bu daireden kaçan günlük ısı kaybı ne olur. Döşemeye 2 cm kalınlığında Halı serilirse ısı kaybı ne olur. Her iki durumda ısı kaybını önlemek için m 3 ü 3500 kcal veren doğal gazdan kaç m 3 yakmak gerekir. Malzeme λ: Kcal/m.c.h Beton... 0.90 Sıva.. 0.70 Parke 0.70 Halı 0,04

3. 30 m boyunda, 1 m genişliğinde ve 6 m yüksekliğinde kışın +5 0 C derecede inşa edilen beton bir istinat duvarının yazın sıcaklık +40 0 C olduğunda hacminde meydana gelen değişimin yüzdesi ne olur. Duvar her iki taraftan tutulursa ne çeşit ve ne kadarlık bir gerilme oluşur. (α t = 12x10-6 1/ 0 C, E= 300000 kgf/cm 2 ).

Termik Özellikler Isı iletkenlik katsayısı Bir malzemenin iki tarafında farklı bir sıcaklık var ise sıcaklığın yüksek olduğu taraftan az olan tarafa doğru bir sıcaklık akımı (difüzyon) meydana gelir. Birim zaman ve birim alanda malzeme içinden geçen ısı miktarı, ısı iletkenlik katsayısı ile orantılıdır. Aşağıdaki şekilde lamda ( ) ısı iletkenlik katsayısı, alanı 1 m 2,kalınlığı 1 m. olan tabakanın iki tarafı arsındaki ısı farkı 1 C iken 1 saatte geçen ısı miktarıdır.

Birim ağırlığı küçük olan malzemelerin ısı iletkenlik katsayısı da küçüktür. Buna etki eden ikinci sebep rutubet olup, rutubet arttıkça ısı iletkenliği de artar. Isı iletkenlik katsayısının küçük olması daima aranır. Bu nedenle ısı kaybı az olacak ve o malzeme izolasyon malzemesi olarak kullanılabilecektir.

ÖRNEK ISI KAYBI HESABI

YALITIMSIZ ÖRNEK ISI KAYBI HESABI Q= 9,88x1,03x34= 346 W

ÖRNEK ISI KAYBI HESABI

DIŞ DUVAR ÖRNEK ISI KAYBI HESABI Malzeme Cinsi Kalınlık D (cm) Isı iletkenlik hesap değeri, l h (W/m 2 K) A Dış Sıva 3.0 1.400 B Delikli Tuğla 8.5 0.500 C Köpük Levha 3.0 0.040 D Delikli Tuğla 8.5 0.500 A İç Sıva 2.0 0.870 Hesaplanan K dd :0.77 W/m 2 K Q= 9,88x0,77x34= 258,66 W

DÖŞEME ÖRNEK ISI KAYBI HESABI Hesaplanan K dö :0.58W/m 2 K Malzeme Cinsi Kalınlık D (cm) Isı iletkenlik hesap değeri, h (W/m 2 K) A Ahşap 3.0 0.200 B Tesviye Betonu 3.0 1.400 C Donatılı Beton 12.0 2.100 D Köpük Levha 4.0 0.040 E Heraklit 2.0 0.140 F İç Sıva 2.0 0.870 Q= (4,96x3,65)x0,58x34= 357 W

ÖRNEK ISI KAYBI HESABI Malzeme Cinsi Kalınlık D (cm) A İç Sıva 2.0 0.870 B Delikli Tuğla 19.0 0.500 A İç Sıva 2.0 0.870 Isı iletkenlik hesap değeri, l h (W/m 2 K) Hesaplanan K i d :1.45 W/m 2 K Q= (3,65x2,5)x1,45x4= 52,92 W