KAPILARNOŚĆ BIERNA

1. Wstęp

Kanaliki utworzone z porów gruntu można uważać za kapilary. Jak wiadomo w rurkach kapilarnych wstawionych do wody podnosi się ona do pewnego poziomu ponad jej swobodne zwierciadło. Wysokość wzniosu kapilarnego wody zależy od średnicy rurki: im jest ona mniejsza, tym wyżej podnosi się woda.

Kapilarność jest wynikiem oddziaływania międzycząsteczkowego tj.:

• przyczepności (adhezji) wody do ścianek rurki (sił między cząsteczkami wody i ciała stałego, z którego zbudowana jest rurka),

• napięcia powierzchniowego wody (sił wzajemnego przyciągania przez cząsteczki cieczy),

• oddziaływania między cząsteczkami wody i gazu znajdującego się ponad powierzchnią wody.

Po wstawieniu kapilary do wody, wskutek przyciągania molekularnego woda błonkowa pokrywa całą zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnię ścianki rurki do pewnej wysokości ponad zwierciadło wody wolnej, przez co zwiększa się powierzchnia graniczna pomiędzy wodą i powietrzem. Zwiększeniu powierzchni granicznej przeciwdziała napięcie powierzchniowe wody. Molekuły wodne, znajdujące się poniżej powierzchni wody, są otoczone podobnymi molekułami i podlegają ich przyciąganiu równomiernie ze wszystkich stron. Molekuły na powierzchni granicznej natomiast są przyciągane przez molekuły wody tylko od dołu, a od góry przez molekuły powietrza. Wskutek powyższego zjawiska w warstwie granicznej molekuł wody powstaje tzw. napięcie powierzchniowe.

Woda w rurce kapilarnej podnosi się tak wysoko, aż ciężar słupa podciągniętej wody zrównoważy siły napięcia powierzchniowego, działającego stycznie do powierzchni menisku wody wzdłuż obwodu rurki.

Wysokość kapilarnego podciągania H_k wody ponad swobodne jej zwierciadło można wyznaczyć w sposób następujący:

• ciężar słupa wody w rurce wynosi:

w = H_k ^. π ^. r^{2 .} ρ_w ^. g

gdzie: w - ciężar słupa wody

H_k - wysokość kapilarnego podciągania

r - promień rurki (kapilary)

ρ_w - gęstość wody

g - przyciąganie ziemskie

• siła napięcia powierzchniowego

Q_P = 2 πr ^. σ_np

gdzie: Q_P - siła napięcia powierzchniowego

r - promień rurki (kapilary)

σ_np - napięcie powierzchniowe

Przyrównując prawe strony obu równań otrzymujemy:

H_k = 2σ_np / rγ_w

Biorąc pod uwagę, że napięcie powierzchniowe wody σ_np przy temperaturze 10°C równa się 0,0742 G/cm oraz przyjmując ciężar właściwy wody γ_w = 1,0 G/cm³ otrzymuje się uproszczony wzór na wyznaczenie wysokości kapilarnego podciągania wody do góry:

H_k = 0,15 / r (H_k, r [cm])

Rozróżnia się kapilarność czynną i bierną gruntu.

Kapilarnością czynną gruntu nazywa się wysokość, na jaką woda na skutek sił napięcia powierzchniowego, podniesie się w porach gruntu ponad poziom swobodnego zwierciadła przy podsiąkaniu od dołu.

Kapilarnością bierną gruntu nazywa się wysokość, na jakiej woda będzie się utrzymywać w porach gruntu ponad poziomem swobodnego zwierciadła przy obniżeniu tego poziomu.

Ruch wody kapilarnej w gruncie odbywa się według następujących ogólnych praw:

• wysokość wzniosu wody w kapilarach zależy od ciśnienia włoskowatego, które równoważone jest przez ciśnienie hydrostatyczne wzniesionego słupa cieczy,

• wysokość na jaką może wznieść się woda w kapilarze jest odwrotnie proporcjonalna do średnicy kapilary w tym ich miejscu, gdzie wystąpią meniski,

• ciecz między dwoma płytkami podnosi się na wysokość dwa razy mniejszą aniżeli w rurce mającej średnicę równą odległości płytek,

• ze wzrostem temperatury napięcie powierzchniowe wody maleje, a co za tym idzie prędkość podnoszenia się jej w kapilarach zmniejsza się,

• ruch wody w kapilarach jest hamowany przez:

a) występujące w kapilarach pęcherzyki powietrza

b) zmiany przekroju kapilary.

Przyjmuje się, że kapilarność bierna gruntu jest równa wielkości podciśnienia mierzonego w centymetrach słupa wody, przy którym przebija się powietrze przez próbkę gruntu podczas badania. Do oznaczenia kapilarności biernej pobiera się grunt powietrzno - suchy, z którego po odsianiu ziaren większych od 2 mm wyznacza się 5 próbek o masie około 20 g. Trzy próbki służą do badania kapilarności, pozostałe dwie próbki do ewentualnych badań dodatkowych w przypadku nie uzyskania wymaganej dokładności.

Kapilarność bierną określa się za pomocą przyrządów przedstawionych na rysunku nr 1.

Rys. nr 1

Przygotowaną do badania próbkę gruntu wsypuje się małymi porcjami do lejka, każdorazowo ugniatając lekko jej powierzchnię w celu usunięcia z próbki pęcherzyków powietrza.

Napełnianie lejka gruntem powietrzno - suchym odbywa się przy częściowym zanurzeniu lejka w wodzie.

Próbka gruntu i woda powinny mieć temperaturę różniącą się mniej niż ± 2 °C od temperatury otoczenia.

Badanie przeprowadza się jako:

a) badanie wstępne

b) badanie właściwe

Ad. a)

Badanie wstępne przeprowadza się w ten sposób, że lejek z próbką gruntu

podnosi się równomiernie (bez drgań) z prędkością około 1 cm/s do chwili, gdy pod próbką utworzy się pęcherzyk powietrza. Następnie mierzy się różnicę poziomów spodu próbki gruntu i zwierciadła wody w naczyniu. Pomierzoną różnicę przyjmuje się za wstępną wielkość kapilarności biernej H_kb.

Ad b)

Badanie właściwe przeprowadza się równolegle na dwu następnych próbkach w ten sposób, że lejek podnosi się do wysokości 0,7 H_kb, pozostawiając go nieruchomo w ciągu

5 min. i obserwując, czy pod próbką nie utworzył się pęcherzyk powietrza; gdy nie utworzy się on począwszy od wysokości 0,7 H_kb podnosi się lejek w odstępach 5 min. do położenia wyższego o 5 cm z prędkością 1 cm/s , pozostawiając go nieruchomo na okres następnych

5 min.

W momencie utworzenia się pęcherzyka powietrza mierzy się czas t, jaki upłynął od chwili zatrzymania lejka na ostatnim poziomie oraz wysokość poziomu h [cm] ponad zwierciadło wody w naczyniu.

Kapilarność bierną oblicza się według wzoru:

H_kb = (h - 5,0) + Δh [cm]

gdzie: h - wysokość, na której nastąpiło utworzenie się pęcherzyka powietrza [cm]

5,0 - różnica wysokości pomiędzy kolejnym położeniem lejka [cm]

Δh - poprawka interpolacyjna [cm]

Δh = t ^. v

gdzie: t - czas, jaki upłynął od chwili zatrzymania się lejka na poprzednim

poziomie [min.]

v - prędkość podnoszenia się lejka [równa 1 cm/min.]

Jako ostateczny wynik oznaczenia kapilarności biernej badanego gruntu przyjmuje się średnią arytmetyczną dwóch wyników badania właściwego.

Jeżeli wyniki dwóch równoległych badań różnią się więcej niż o 0,1 H_kb, wykonujemy badania dwóch próbek dodatkowych, biorąc do obliczeń średnią arytmetyczną trzech najbardziej zbliżonych do siebie wyników.

2. Metodyka

Doświadczenie przeprowadzono na próbce gruntu sypkiego o uziarnieniu 0,06 - 0,1 mm, w sposób opisany w punkcie 2.1. zgodnie z PN-60 / B-04493 “Grunty budowlane. Oznaczenie kapilarności biernej.”.

Tab. nr 1. Wyniki pomiarów kapilarności biernej

RODZAJ BADANIA	CZAS t [ s ]	WYSOKOŚĆ h [ cm ]	UWAGI
wstępne	0	0
		40	40	Koniec badania wstępnego - pod próbką utworzył się pęcherzyk powietrza Hkb =40,0 cm
	właściwe I	0	28	Początek badania właściwego h = 0,7 Hkb = 28cm
		300	33
		305	38	Koniec badania właściwego po 5 s (0,12 min.) na wysokości 38 cm utworzył się pod próbką pęcherzyk powietrza
	właściwe II	0	28	Początek badania właściwego h = 0,7 Hkb = 28cm
		300	33
		138	33	Koniec badania właściwego po 138 s (2,3 min.) na wysokości h = 33 cm utworzył się pod próbką pęcherzyk powietrza

Obliczenie kapilarności biernej:

H_kb = ( h - 5,0 ) + Δh [cm]

Δh = t ^. v

Dla I- szego badania właściwego h = 38 cm; t = 0,12 min ;v = 1cm/min

Δh = 0,12 ^.1 = 0,12 cm

H_kb = (38,0 -5,0) + 0,12 = 33,12 cm

Δh = 0,25 ^. 1 = 0,25 cm

Dla II- go badania właściwego h = 33 cm; t = 2,3 min ;v = 1cm/min

Δh = 2,3 ^.1 = 2,3 cm

H_kb = (33,0 - 5,0) + 2,3 = 30,3 cm

Różnica między badaniami Δh_kb

Δh_kb = 33,12 - 30,3 = 2,28 cm

Średnia wartość z obu badań właściwych H_kb

H_kb = 31,71 cm

Ponieważ różnica między badaniami właściwymi jest mniejsza od 0,1 H_kb

2,28 cm < 0,1 H_kb = 3,71 cm

Więc wynik oznaczenia kapilarności biernej przyjęto wartość 31,7 cm.

3. Wnioski

W przeprowadzonym doświadczeniu polegającym na wyznaczeniu kapilarności biernej gruntu uzyskano wynik 31,71 cm dla gruntu sypkiego o uziarnieniu
0,06 - 0,1 mm. Aby uzyskany wynik uznać za zgodny z PN-60/B-04493 oznaczającą sposób wyznaczenia kapilarności biernej, należałoby wykonać kolejne badania. Jeżeli wyniki dwóch równoległych badań różniłyby się więcej niż o 0,1 H_kb , to należałoby powtórzyć badanie na dwóch następnych próbkach, a jako wynik przyjąć średnią arytmetyczną z trzech najbardziej zbliżonych wyników. Wysokość podnoszenia kapilarnego dla badanego przez nas gruntu wg. normy wznosi od 30 cm do 1 m.

200 cm

h

Rurka elastyczna

Próbka gruntu

Sączek z bibuły filtracyjnej

Lejek

100 cm

---