Malzeme Bilimi Ve Labaratuvarı FİZİKSEL ÖZELLİKLER Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi
Giriş Özellikle inşaat mühendislerini ilgilendiren taş, beton, tuğla biriket gibi seramik yapılı malzemelerin birim ağırlık, özgül ağırlık, boşlukluk, su emme, geçirimlilik ve ses iletimi gibi özellikler vardır. Bu bölümde de bunlar fiziksel özellikleri adı ile ele alınarak tanıtılacak ve deneysel yolla nasıl saptandığı anlatılacak.
Fiziksel özellikler Birim Ağırlık, Özgül Ağırlık, Porozite, Kompasite (doluluk), Su Emme, Hacimce Ağırlıkça 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
Fiziksel özellikler
Birim Ağırlık Malzemenin boşlukları dahil olmak üzere birim hacim ağırlığıdır. Muntazam şekilli malzemelerde ağırlık ve hacimler ölçülerek birim ağırlık bulunur. Birim Ağırlık = Ağırlık Bütün Hacim = P V = P v+d v Boşluk d V Dolu
Birim Ağırlık Şekli düzgün olmayan malzemeler; Su emmeyen cinsten ise, havada kuru olarak tartılıp P1, suda tartılıp P2 bulunur ve hesaplanır. = P1 P1 P2
Birim Ağırlık Su emen cisimlerde ise bu deney su emen malzemenin dış yüzünü bir parafin tabakası ile yalıtım yapıldıktan sonra suda tartmak suretiyle de yapılmaktadır. Muntazam şekilli olmayan malzemeler su emen cinsten ise havada kuru olarak tartılır P1, suda bekletildikten sonra havada tartılır P2 ve suda tartılır P3 bulunur ve hesaplanır. = P1 P2 P3
Özgül Ağırlık Malzemenin boşlukları çıkartıldıktan sonra birim hacmine karşılık gelen ağırlığıdır. Özgül Ağırlık = Ağırlık Dolu Hacim = P d = P V v Boşluk v d V Dolu
Özgül Ağırlık 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
Bazı maddelerin özgül ağırlıkları Su Alüminyum Bakır Demir Kurşun Civa Nikel Benzin Kavak ağacı Cam : 1.0 gr/cm3 : 2.55-2.80 gr/cm3 : 8.8-8.95 gr/cm3 : 7.03-7.5 gr/cm3 : 11.34 gr/cm3 : 13.546 gr/cm3 : 8.9 gr/cm3 : 0.7 gr/cm3 : 0.5 gr/cm3 : 2.6 gr/cm3
Özgül Ağırlık Özgül ağırlık, dolu hacme göre hesaplandığı için daima birim hacim ağırlıktan büyüktür. Boşluksuz bir malzemede ise birim hacim ağırlık ve yoğunluk birbirine eşittir.
Arşimet prensibi
Porozite Malzemedeki boşluk oranına denir. Porozite = Boşluk Hacmi Bütün Hacim p = v V = V d V = 1- d V v Boşluk d V Dolu
Kompasite (doluluk) Malzemedeki doluluk oranına denir. Kompasite = Dolu Hacim Bütün Hacim k= d V v Boşluk d V Dolu
Porozite-Kompasite ek bağıntı Birim ve özgül ağırlık için verilen ifadeleri birbirine oranlarsak: = P/V P/d = Pd PV = d V Dolayısı ile p = 1 k+p = 1 k = Bağıntıları elde edilir. Birim ve özgül ağırlık deneyle kolay bulunabilen değerlerdir. Dolayısı ile zor bulunan porozite ve kompozite değerlerini de bu bağıntılarla bulmak mümkündür.
Su Emme Malzemenin birim ağırlık veya hacminin emmiş olduğu su yüzdesi olarak belirtilir. k = ----- Sa= P 2 -P 1 --------- x 100 ve hacim yüzdesi olarak su emme: P 1 P 2 -P 1 (P 2 -P 1 ) P 2 -P 1 Sh= --------- x 100 = --------- x 100 = ---------- x % V P 1 / P 1 Yani Sh = Sa x Sa Sh P2 P1 : 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. Doyma Derecesi = Su emme (% hacim olarak) Porozite D = Sh P Donan suyun hacmi yaklaşık olarak % 10 kadar genişler. Boşluklar tamamen su ile dolmuş ise, don esnasında meydana gelen hacim atması (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.
Tüm bağıntılar = P V = P v+d = P d = P V v P = v V = V d V =1- d V k = d V = Sa = P 2 P 1 P 1 x100 Sh = P 2 P 1 V x100 = (P 2 P 1 ) P 1 / x100 = P 2 P 1 x % = Sa x P 1 D = Sh 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 ağırlık =? b) Özgül ağırlık =? c) Porozite p =? d) Kompasite k =? 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 P1 = 2600 P2 = 3000 Pd = 50 gr. Vd = 17,5 cm 3 a) = b) = 2600 23x11x6 =1,71gr/cm3 50 17,5 =2,85 gr/cm3 c) P=1-1,71 2,85 =0,400 d) k = 1,71 2,85 = 0,600 e) Ağırlıkça= 3000 2600 x100=%15 2600 Hacimce= 3000 2600 23x11x6 x100=%26 veya 2. yol (Hacimce İçin) Sh = Sa. = 0,15x1.71=0,256 % 26 f) D= Sh P 0,26 x100= x100= %65 0,400 g) D = % 65 < % 80 olduğundan donmaya dayanıklılık beklenir.
Geçirimlilik Basınç altında akışkanların boşluklu malzemelerin içinden geçmesi doğaldır. Ayrıca basınç olmaksızın doğal koşullarda kılcal etki nedeni ile boşluklu malzemelerde su geçirimliliği oluşabilir. Uygulamada en sık rastlanan gaz halindeki akışkan su buharı, sıvı halde akışkan da sudur. Bu akışkanlara karşı malzemelerin geçirimliliği yapı mühendisliğinde önemli sorun sayılmaktadır.
Geçirimlilik 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 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 Geçirimlilik olayının Darcy yasasına uygun oluştuğu varsayılır; malzemeden birim zamanda geçen su miktarı (Q), belli kesitte (A) ve kalınlıktaki (x) malzemeye etkili olan su basıncına (P) ve malzemenin su geçirimlilik katsayısına bağlı olarak değişmektedir. Q = k P A X Q = Birim zamanda geçen su miktarı, (cm 3 /sn) P = Su basıncı (Su sütunu yüksekliği), A = Kesit alanı (cm 2 ), x = Numune kalınlığı (cm), k = Geçirimlilik katsayısı (cm/sn).
Kapilarite (Kılcal Su Emme) Malzemenin başka bir su emme seklide kapiler yolla gelişir. Cismin bir yüzeyi ile temas eden su, bazı kosullar yerine geldiği takdirde, malzeme bünyesinde yukarı kısımlara doğru çıkar. Bu olay kılcal (mikron mertebesinde) boşluklu cisimlerde gelişir. Kılcal boşluklu cisimlerin bir yüzeyi suya değerse, su zamanla cisim içinde yükselmeye baslar.
Kapilarite (Kılcal Su Emme)
Kapilarite (Kılcal Su Emme)
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. kt = Q2 A 2 Q = Emilen su miktarı, (cm 3 ) A = Su ile temas eden kesit alanı (cm 2 ), t = Geçen zaman (sn), k = Kapilerite katsayısı (cm 2 /sn).
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) a) Kapiler Emme b) Yüzeysel emme
Kapilarite (Kılcal Su Emme)
Kapilarite (Kılcal Su Emme)
Kapilarite (Kılcal Su Emme) Temelde su yalıtımı
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 cm3 A = 30x30 = 900 cm2 t = 20 dakika = 1200 saniye kt = Q2 A 2 k.1200= 402 900 2 k=1,64.10-6
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.
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. t = 1 saat = 3600 sn. Q = 2725 2400 = 325 A = 11x23=253 cm2 kt = Q2 A 2 k = 4,5x10-4
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 cm2 H = 300 cm olan bir sütun göz önüne alalım. Bu sütunun hacmi V = 300 cm3 ve emeceği su miktarı Q = 300x0,264= 79,2 cm3 olacaktır. Tuğla duvarın bu kadar suyu emmesi için geçecek zaman kt = Q2 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.
Akustik Özellikler (Ses Obsorbsuyonu) 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.
Akustik Malzemeler
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
Şiddetlerine göre ses türleri 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 katsayısı, = 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.
Çeşitli malzemelerin ses emme katsayıları Malzeme Ses Emme Katsayısı ( ) 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 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 Termik İletkenlik İki malzeme arasındaki sıcaklık farkı nedeniyle, sıcaklığı yüksek olan taraftan soğuk bölgeye bir ısı akımı oluşturur. Malzemeler arasındaki ısısal geçirimlilik, malzemelerin bulunduğu ortamlara göre; kondüksiyon, konveksiyon ve ışınım (radyasyon) olmak üzere üç farklı şekilde oluşur.
Termik Özellikler Genleşme Katsayısı Bir cismin sıcaklığının 1 C artması halinde birim boyunda meydana gelen artmaya genleşme katsayısı denir ve ile gösterilir. Bir çubuğun 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. = L L 0 ise =. L 0. t L 0 ise =. t olur.
Termik Özellikler İlk boyu (L 0 ) olan bir malzemede sıcaklığın ( t) kadar artmasıyla meydana gelen şekil değişimi; t. L L. t 0. 0 t lik Bir şekil değişimini cisim şayet serbest değilse yapamayacak, dolayısıyla elastik sınırlar içinde kalacaktır. σ = E. ise ( t = E. t = E.. t ) kadar bir gerilme meydana gelir.
Termik Özellikler 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 alabileceği önceden tahmin edilerek ara mesafe inşaat sırasında ona göre bırakılır. L=α.Lo. t
Termik Özellikler
Örnek Problem Metal bir malzeme üzerinde ısıl genleşme deneyi yapılmış ve aşağıdaki veriler elde edilmiştir. L 0 = 220 mm, L 1 =220,1584 mm, Δt= 60 C a) Isıl genleşme katsayısını hesaplayınız? b) Bu malzeme kullanılarak sıcaklık farkının 55 C olduğu bir yerde demiryolu yapılmak istemektedir. 300 m uzunluğundaki ray için bırakılması gereken genleşme derzi (boşluk) miktarını mm cinsinden hesaplayınız? c) Genleşme derzi bırakılmadığı takdirde rayda oluşacak olan gerilmeyi hesaplayınız? (E= 2.000.000 kg/cm 2 )
Örnek Problem a) Isıl genleşme katsayısı L=α.Lo. t α=0,1584/(220x60) = 0,000012 1/C 0 b) Genleşme derzi (boşluk) miktarı : L=α.Lo. t = 0,000012x300000x55= 198 mm c) Gerilme : = E.. t = 2000000 x (0,000012 x 60) =1440 kg/cm 2
Isı iletkenlik katsayısı Termik Özellikler 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.
Termik Özellikler 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.
Termik Özellikler Isı iletkenlik katsayısı lamda ( ), alanı 1m 2, kalınlığı 1m olan tabakanın iki tarafı arsındaki ısı farkı 1 0 C iken 1 saat te kilo kalori cinsinden geçen ısı miktarı cismin yapıldığı malzemenin ısı iletkenlik katsayısıdır. Burada Q ısı akım miktarı, e cismin kalınlığı (m), (t2 - t1) sıcaklık farkı (oc), A malzeme alanı (m2) olup; λ termik iletkenlik katsayısıdır. Boyutu kilokalori /m.saat.derece dir.