Materiaalkunde 1, 7S020
Korte samenvatting dictaat
“bouwen met materialen”
1. Vormen bouwen met bodemmaterialen
Steen is een weerbarstig materiaal, weerbarstigheid heeft te maken met hardheid,
stijfheid en brosheid, die combinatie geeft de steenachtigheid aan.
- Brosheid, “Het zonder vooraankondiging breken van het materiaal, en het precies
weer in elkaar passen van de breukdelen”.
Er treed vlak voor de breuk geen uiterlijke vervorming op, het materiaal kan
namelijk niet plastisch vervormen maar kleine al bestaande scheurtjes breiden zich
uit tot een breuk.
- Hardheid, “De weerstand tegen inkerving van een materiaal met een harder
materiaal”.
Hardheid is een oppervlakte-eigenschap en wordt dus enkel aan de oppervlakte
gemeten. Er zijn verschillende schalen zoals de schalen 1-10 volgens Mohs voor
mineralen en de Brinell-schaal voor staalsoorten.
- Stijfheid, “De relatie tussen de uitgeoefende kracht en de mate van vervorming”.
Stijfheid elasticiteitsmodulus (E) = de mate van indrukking onder verschillende
krachten.
(Enkel bij steenachtige wordt de indrukking ipv de uitrekking bepaald omdat steen
niet op trek val te belasten.) Een stijfheidproef geeft een kracht-
vervormingsdiagram.
- De wet van Hooke, E = σ / ε.
Het kracht-vervormingsdiagram kan worden omgezet in een spanning-rek-diagram.
De kracht wordt omgerekend naar spanning , σ = ΔF / A, en de vervorming ΔL naar
relatieve vervorming ΔL/L. De elasticiteitsmodulus E wordt dan berekend met E =
σ / ε.
- σ-ε diagram
De stijfheid is afleesbaar aan de hoek met de x-as, hoe groter de hoek hoe stijver
het materiaal en ook hoe groter de elasticiteitsmodulus. De sterkte van het
materiaal zie je aan de spanning bij de breuk en de brosheid bij het plotselinge
einde van de lineaire vervorminglijn. De breuksterkte betreft de spanning waarbij
het materiaal bezwijkt, in de praktijk wordt gewerkt met veiligheidcoëfficiënten en
zit de maximale belasting iets onder de breuksterkte.
Vormwetten en eigenschappen (vanuit het begrip structuur)
- De grondvorm van steenachtige materialen is de blokvorm.
Alle uitvoeringen van steenachtige materialen zijn blokvormig of aan de blokvorm
verwant.
- De vormwetten
De grondvormen va vele materialen drukken een materiaalkundige oorzaak uit.
Steenachtige materialen als kunststeen en natuursteen zijn opgebouwd uit
moleculaire structuren met onderling covalente of ionogene bindingen (primair).
Een groepje moleculen dat met elkaar is gebonden vormt een kristal, een geordend
,groepje moleculen. De kristallen liggen ongeordend door de steenachtige verspreid
en kennen een veel minder sterke binding dan de primaire binding ìn het kristal. De
sterkte van die binding bepaalt dus ook wanneer een steenachtige breekt. De
mechanische eigenschappen worden dan ook bepaald door de fijnheid van de
kristallijne structuur en de sterkte van de bindingen tussen de kristallen.
De vorm waarin de steenachtige wordt uitgevoerd bepaald ook de sterkte, bepalend
hiervoor zijn brosheid en lage treksterkte. Lineaire vormen zijn nauwelijks mogelijk
met steenachtige materialen.
Een ligger van baksteen?
Een ligger van baksteen is niet mogelijk aangezien het materiaal geen treksterkte
op kan nemen, een lichte boog erin maakt het echter wel mogelijk aangezien de
stenen dan op elkaar gaan rusten en dus een drukkracht uitoefenen.
Eigenschappen als gevolg van structuur
Roosterstructuur
Is een belangrijke structuurgrootheid, atomen geordend in een 3D atoomrooster
vormen harde materialen waar ongeordende amorfe atoomstructuren weer een
zacht materiaal vormen. Tussenvormen zijn bijvoorbeeld 2D roosters waarin de
atomen slechts in lagen geordend liggen.
Homogeniteit
Ook homogeniteit is een structuurgrootheid, de gelijkmatigheid van de verdeling
van korrels, deeltjes, vezels of holtes in een matrix. Homogene materialen zijn
meestal degenen die uit vloeibare toestand zijn gekomen, steenachtige zijn matig
homogeen en erosie of natuurlijke materialen zijn inhomogeen.
Korreligheid
Betreft ook een structuurgrootheid, fijnere structuur geeft een homogener en vaak
slanker materiaal.
Glas
Glas is homogeen maar ingezoomd blijkt het amorf te zijn. Door de snelle afkoeling
heeft de massa geen tijd in een rooster te gaan liggen en blijft het amorf, dat geeft
de transparantie aan glas. De kristallen zijn zo klein dat licht er langsop kan, er kan
veel geschoven worden met de kristallen waardoor de transparantie veranderd kan
worden.
Poriënstructuur
Enkel glas bezit geen poriën, voor de rest zijn poriën in steenachtige materialen
onbedoeld tijdens het ontstaan gekomen of bedoeld tijdens het maken. Gebruik als
isolatiemateriaal (veel lucht dus goede isolatie bij droogte en stilstand), Poreus
materiaal absorbeert geluid goed en poreuze materialen zijn lichter van gewicht.
Negatieve kanten zijn de mechanische zwakte van poreuze materialen en er kan
transport plaatsvinden door het materiaal van bijvoorbeeld vocht wat neerslag kan
veroorzaken. Hygroscope materialen nemen graag vocht op en tonen daardoor
hygrisch gedrag wat inhoudt dat materialen zwellen en krimpen door wateropname.
Nog een nadeel aan poriënstructuren in materialen is het ruwe oppervlak dat lastig
schoon te houden is waardoor veel vuil in de materialen trekt en de coombinatie
van vocht en poriën geeft een voedingsbodem voor bacteriën, schimmels en algen.
, Porositeit
De ruimte die de poriën innemen in een materiaal tov de totale ruimte. Porositeit
kan wordn gemeten met een opzuigproef, verzadigen met water geeft een
hoeveelheid water die te meten is en vanuit die hoeveelheid kan weer het volume
poriën bepaald worden. P = Vp / Vtot * 100%, Vp is het poriënvolume en Vtot het
totale volume.
En door een monster van het materiaal te vergelijken met de massieve versie. De
massa wordt uitgedrukt in ρs met als eenheid kg/m³, dit betreft dan massieve
materialen. Voor poreuze materialen wordt de volumieke massa ρv gebruikt, de
massa van het materiaal per m³ inclusief de aanwezige poriën. Dat geeft dus dat P
= 1 – ρV / ρS * 100%.
Met de eerste methode meet men dus de cappilaire porositeit, als er meer druk op
het water wordt gezet dan worden de poriën ook meer gevuld. Met de tweede
methode meet men dus de totale porositeit. Natuursteen is hoe dieper gedolven
hoe massiever, baksteen is vrij poreus maar afhankelijk van de bakwarmte en beton
is het minst poreus maar neemt nog steeds water op. Steenachtige materialen
worden soms express poreus gemaakt om te kunnen isoleren (cellenbeton).
Isotropie
Isotropie betekent dat er een structuur is die in de x, y, z richtingen van een
materiaal gelijk is, bij de tegenoverstelling anistropie is dat niet het geval. Hout is
anistroop, de dwarsdoorsnede is cellulair en de langsdoorsnede is vezelig. De
nerven lopen in de richting van de sapstroom en dus in de lengterichting, axiaal. De
grondvorm van hout is dan ook meestal lineair of daaraan verwant. Natuursteen is
als stollingsgesteente isotroop, echter is bijvoorbeeld leisteen anisotroop met haar
lagenstructuur. Bij bewerking is vaak terug te zien of een materiaal anisotroop of
isotroop is, isotrope materialen krijgen vaak 3D bewerkingen waar bij anistropen dat
heel veel moeite kost.
Gladheid van het oppervlak
Een oppervlak glanst wanneer de roosters perfect dicht zijn en er dus geen licht
doorheen kan vallen maar enkel weerkaatst kan worden. Door slijtage van
natuursteen bijvoorbeeld kan ook glans (gladheid) optreden, hout en natuursteen
kunnen echter over het algemeen niet glanzen. Bij beton ontstaat er een
buitenhuid, de laag cement van ongeveer 5 mm dik die tussen het beton en de
bekisting blijft zitten, bij het verwijderen van de bekisting is die laag zichtbaar. Die
buitenhuid is pH neutraal en daardoor geen voedingsbodem voor schimmels en
mossen daar waar poreuze gesteenten dat wel vaak zijn door de verschillende pH
waarden. De betonhuid kan ook worden verwijderd om een ruw effect te geven, je
ziet dan het grove granulaat.
Oppervlakteruwheid als visueel thema
Visueel werkt vlak gemaakte materie als vorm terwijl ruwe materie nog echt als
materie wordt ervaren. Het zeebadgebouw van Alvaro Siza is glad gemaakt maar
kent de kleur van de rotsen, die kleurovereenkomst zorgt voor de extra nadruk op
het textuurverschil.
Beeldmaterialen en hun evolutie
Korte samenvatting dictaat
“bouwen met materialen”
1. Vormen bouwen met bodemmaterialen
Steen is een weerbarstig materiaal, weerbarstigheid heeft te maken met hardheid,
stijfheid en brosheid, die combinatie geeft de steenachtigheid aan.
- Brosheid, “Het zonder vooraankondiging breken van het materiaal, en het precies
weer in elkaar passen van de breukdelen”.
Er treed vlak voor de breuk geen uiterlijke vervorming op, het materiaal kan
namelijk niet plastisch vervormen maar kleine al bestaande scheurtjes breiden zich
uit tot een breuk.
- Hardheid, “De weerstand tegen inkerving van een materiaal met een harder
materiaal”.
Hardheid is een oppervlakte-eigenschap en wordt dus enkel aan de oppervlakte
gemeten. Er zijn verschillende schalen zoals de schalen 1-10 volgens Mohs voor
mineralen en de Brinell-schaal voor staalsoorten.
- Stijfheid, “De relatie tussen de uitgeoefende kracht en de mate van vervorming”.
Stijfheid elasticiteitsmodulus (E) = de mate van indrukking onder verschillende
krachten.
(Enkel bij steenachtige wordt de indrukking ipv de uitrekking bepaald omdat steen
niet op trek val te belasten.) Een stijfheidproef geeft een kracht-
vervormingsdiagram.
- De wet van Hooke, E = σ / ε.
Het kracht-vervormingsdiagram kan worden omgezet in een spanning-rek-diagram.
De kracht wordt omgerekend naar spanning , σ = ΔF / A, en de vervorming ΔL naar
relatieve vervorming ΔL/L. De elasticiteitsmodulus E wordt dan berekend met E =
σ / ε.
- σ-ε diagram
De stijfheid is afleesbaar aan de hoek met de x-as, hoe groter de hoek hoe stijver
het materiaal en ook hoe groter de elasticiteitsmodulus. De sterkte van het
materiaal zie je aan de spanning bij de breuk en de brosheid bij het plotselinge
einde van de lineaire vervorminglijn. De breuksterkte betreft de spanning waarbij
het materiaal bezwijkt, in de praktijk wordt gewerkt met veiligheidcoëfficiënten en
zit de maximale belasting iets onder de breuksterkte.
Vormwetten en eigenschappen (vanuit het begrip structuur)
- De grondvorm van steenachtige materialen is de blokvorm.
Alle uitvoeringen van steenachtige materialen zijn blokvormig of aan de blokvorm
verwant.
- De vormwetten
De grondvormen va vele materialen drukken een materiaalkundige oorzaak uit.
Steenachtige materialen als kunststeen en natuursteen zijn opgebouwd uit
moleculaire structuren met onderling covalente of ionogene bindingen (primair).
Een groepje moleculen dat met elkaar is gebonden vormt een kristal, een geordend
,groepje moleculen. De kristallen liggen ongeordend door de steenachtige verspreid
en kennen een veel minder sterke binding dan de primaire binding ìn het kristal. De
sterkte van die binding bepaalt dus ook wanneer een steenachtige breekt. De
mechanische eigenschappen worden dan ook bepaald door de fijnheid van de
kristallijne structuur en de sterkte van de bindingen tussen de kristallen.
De vorm waarin de steenachtige wordt uitgevoerd bepaald ook de sterkte, bepalend
hiervoor zijn brosheid en lage treksterkte. Lineaire vormen zijn nauwelijks mogelijk
met steenachtige materialen.
Een ligger van baksteen?
Een ligger van baksteen is niet mogelijk aangezien het materiaal geen treksterkte
op kan nemen, een lichte boog erin maakt het echter wel mogelijk aangezien de
stenen dan op elkaar gaan rusten en dus een drukkracht uitoefenen.
Eigenschappen als gevolg van structuur
Roosterstructuur
Is een belangrijke structuurgrootheid, atomen geordend in een 3D atoomrooster
vormen harde materialen waar ongeordende amorfe atoomstructuren weer een
zacht materiaal vormen. Tussenvormen zijn bijvoorbeeld 2D roosters waarin de
atomen slechts in lagen geordend liggen.
Homogeniteit
Ook homogeniteit is een structuurgrootheid, de gelijkmatigheid van de verdeling
van korrels, deeltjes, vezels of holtes in een matrix. Homogene materialen zijn
meestal degenen die uit vloeibare toestand zijn gekomen, steenachtige zijn matig
homogeen en erosie of natuurlijke materialen zijn inhomogeen.
Korreligheid
Betreft ook een structuurgrootheid, fijnere structuur geeft een homogener en vaak
slanker materiaal.
Glas
Glas is homogeen maar ingezoomd blijkt het amorf te zijn. Door de snelle afkoeling
heeft de massa geen tijd in een rooster te gaan liggen en blijft het amorf, dat geeft
de transparantie aan glas. De kristallen zijn zo klein dat licht er langsop kan, er kan
veel geschoven worden met de kristallen waardoor de transparantie veranderd kan
worden.
Poriënstructuur
Enkel glas bezit geen poriën, voor de rest zijn poriën in steenachtige materialen
onbedoeld tijdens het ontstaan gekomen of bedoeld tijdens het maken. Gebruik als
isolatiemateriaal (veel lucht dus goede isolatie bij droogte en stilstand), Poreus
materiaal absorbeert geluid goed en poreuze materialen zijn lichter van gewicht.
Negatieve kanten zijn de mechanische zwakte van poreuze materialen en er kan
transport plaatsvinden door het materiaal van bijvoorbeeld vocht wat neerslag kan
veroorzaken. Hygroscope materialen nemen graag vocht op en tonen daardoor
hygrisch gedrag wat inhoudt dat materialen zwellen en krimpen door wateropname.
Nog een nadeel aan poriënstructuren in materialen is het ruwe oppervlak dat lastig
schoon te houden is waardoor veel vuil in de materialen trekt en de coombinatie
van vocht en poriën geeft een voedingsbodem voor bacteriën, schimmels en algen.
, Porositeit
De ruimte die de poriën innemen in een materiaal tov de totale ruimte. Porositeit
kan wordn gemeten met een opzuigproef, verzadigen met water geeft een
hoeveelheid water die te meten is en vanuit die hoeveelheid kan weer het volume
poriën bepaald worden. P = Vp / Vtot * 100%, Vp is het poriënvolume en Vtot het
totale volume.
En door een monster van het materiaal te vergelijken met de massieve versie. De
massa wordt uitgedrukt in ρs met als eenheid kg/m³, dit betreft dan massieve
materialen. Voor poreuze materialen wordt de volumieke massa ρv gebruikt, de
massa van het materiaal per m³ inclusief de aanwezige poriën. Dat geeft dus dat P
= 1 – ρV / ρS * 100%.
Met de eerste methode meet men dus de cappilaire porositeit, als er meer druk op
het water wordt gezet dan worden de poriën ook meer gevuld. Met de tweede
methode meet men dus de totale porositeit. Natuursteen is hoe dieper gedolven
hoe massiever, baksteen is vrij poreus maar afhankelijk van de bakwarmte en beton
is het minst poreus maar neemt nog steeds water op. Steenachtige materialen
worden soms express poreus gemaakt om te kunnen isoleren (cellenbeton).
Isotropie
Isotropie betekent dat er een structuur is die in de x, y, z richtingen van een
materiaal gelijk is, bij de tegenoverstelling anistropie is dat niet het geval. Hout is
anistroop, de dwarsdoorsnede is cellulair en de langsdoorsnede is vezelig. De
nerven lopen in de richting van de sapstroom en dus in de lengterichting, axiaal. De
grondvorm van hout is dan ook meestal lineair of daaraan verwant. Natuursteen is
als stollingsgesteente isotroop, echter is bijvoorbeeld leisteen anisotroop met haar
lagenstructuur. Bij bewerking is vaak terug te zien of een materiaal anisotroop of
isotroop is, isotrope materialen krijgen vaak 3D bewerkingen waar bij anistropen dat
heel veel moeite kost.
Gladheid van het oppervlak
Een oppervlak glanst wanneer de roosters perfect dicht zijn en er dus geen licht
doorheen kan vallen maar enkel weerkaatst kan worden. Door slijtage van
natuursteen bijvoorbeeld kan ook glans (gladheid) optreden, hout en natuursteen
kunnen echter over het algemeen niet glanzen. Bij beton ontstaat er een
buitenhuid, de laag cement van ongeveer 5 mm dik die tussen het beton en de
bekisting blijft zitten, bij het verwijderen van de bekisting is die laag zichtbaar. Die
buitenhuid is pH neutraal en daardoor geen voedingsbodem voor schimmels en
mossen daar waar poreuze gesteenten dat wel vaak zijn door de verschillende pH
waarden. De betonhuid kan ook worden verwijderd om een ruw effect te geven, je
ziet dan het grove granulaat.
Oppervlakteruwheid als visueel thema
Visueel werkt vlak gemaakte materie als vorm terwijl ruwe materie nog echt als
materie wordt ervaren. Het zeebadgebouw van Alvaro Siza is glad gemaakt maar
kent de kleur van de rotsen, die kleurovereenkomst zorgt voor de extra nadruk op
het textuurverschil.
Beeldmaterialen en hun evolutie
