Rozszerzalność cieplna materiałów i zakres ruchu szczeliny dylatacyjnej
Co to jest rozszerzalność cieplna materiałów?
Rozszerzalność cieplna materiałów to zwiększenie objętości ciała, zwykle niezauważalne, gdy jego temperatura wzrasta przy stałym ciśnieniu. Zjawisko to jest spowodowane zwiększonym pobudzeniem termicznym cząstek tworzących dane ciało. Jeśli ciało jest długie, zjawisko rozszerzalności będzie polegało na zwiększaniu jego długości: jest to tak zwana rozszerzalność liniowa.
Mimo że rozszerzalność cieplna ma niewielki zakres, to jednak wytwarza bardzo dużą siłę, którą należy uwzględnić w konstrukcjach, na przykład:
- szyny kolejowe nie są ze sobą zespawane lub stosuje się ukośne nacięcia szyn na ich krawędziach;
- oba końce mostu nie są sztywno przymocowane do muru, lecz spoczywają na walcach;
- między budynkami stosuje się szczeliny dylatacyjne.
Wszystkie materiały pod wpływem wzrostu temperatury rozszerzają się w mniejszym lub większym stopniu. Każdy materiał zastosowany w budowie ma własny współczynnik rozszerzalności, dlatego:
- połączenie dwóch materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności musi wytrzymać duże obciążenia mechaniczne, co na ogół oznacza kompromis pomiędzy wydajnością a elastycznością;
- na dużych konstrukcjach szczeliny dylatacyjne znajdują się co 25 ml;
- wyroby uszczelniające muszą pozostać nieprzepuszczalne pomimo zróżnicowanej rozszerzalności spoinowanych elementów, np. między ramą a betonem.
Przykładowe współczynniki rozszerzalności
- Beton: 10 x 10-6°C-1
- Stal: 12 x 10-6°C-1
- Aluminium: 23 x 10-6°C-1
- PCW: 80 x 10-6°C-1
- Drewno: 35 do 55 x 10-6°C-1
- Szkło akrylowe: 80 x 10-6°C-1
Wykorzystywane w wyrobach stolarskich PCW lub szkło akrylowe rozszerza się 3,5 raza bardziej niż aluminium i od 6 do 7 razy bardziej niż stal. Beton zbrojony, stal i beton mają zbliżony współczynnik rozszerzalności.
Wymiarowanie szczeliny wypełnionej kitem lub pianką impregnowaną zależy częściowo od rozszerzalności wykorzystywanego materiału, jak również od wielkości elementów, które mają być spoinowane. To jeden z czynników, który tłumaczy minimalny/maksymalny wymiar wymagany dla szczelin:
- W wyrobach stolarskich: od 5 do maksymalnie 20 mm, szczeliny powyżej 20 mm są bezużyteczne przy rozszerzaniu wyrobu stolarskiego.
- W lekkiej fasadzie: od 5 do maksymalnie 30 mm, elementy są większe niż w stolarce.
- W fasadzie betonowej: od 8 do 40 mm, szczelina dylatacyjna wymagana co 25 ml.
Obliczanie zakresu ruchu szczeliny
ΔL = α . L₀ . ΔT
Inaczej mówiąc: zakres ruchu szczeliny (w m) jest równy współczynnikowi rozszerzalności materiału α (w °C-1) pomnożonemu przez początkowy wymiar szczeliny (w m) i przez różnicę między temperaturą maksymalną i minimalną (w °C).
Całkowitą zdolność ruchu szczeliny oblicza się, dzieląc zakres ruchu szczeliny przez szerokość szczeliny (w %). Produkt uszczelniający, który ma być użyty do uszczelnienia tej szczeliny, musi wytrzymać ten procent ruchu.
Jakie rozwiązania w zakresie uszczelniania szczelin są dostępne, aby rozwiązać problem rozszerzalności?
Produkty illbruck zostały zaprojektowane tak, aby sprostać temu problemowi rozszerzalności:
- Szeroki zakres stosowania naszych pianek impregnowanych: zakres stosowania pianki dobiera się w zależności od wielkości szczeliny, która ma być uszczelniona; najlepiej, gdy zmierzona szerokość szczeliny odpowiada środkowej wartości zakresu stosowania pianki. Zakres ruchu szczeliny odpowiada całemu zakresowi stosowania pianki impregnowanej. Przykład: do uszczelnienia szczeliny o szerokości 10 mm należy wybrać piankę impregnowaną o zakresie stosowania od 7 do 14 mm (o zakresie około +/- 4 mm).
- Kity klasy 12,5P o całkowitej zdolności ruchu wynoszącej 12,5% („P” jak plastik, zwykle kity akrylowe). Przykład: szczelina o szerokości 10 mm dopuszcza zakres ruchu szczeliny w wysokości 1,25 mm.
- Większość kitów klasy 25E o całkowitej zdolności ruchu wynoszącej 25% („E” jak elastomer: silikon, hybryda, poliuretan). Przykład: szczelina o szerokości 10 mm dopuszcza zakres ruchu szczeliny w wysokości 2,5 mm.