1. TEMAT ĆWICZENIA
   Badanie wybranych cech fizycznych materiałów budowlanych.

2. PODSTAWY TEORETYCZNE

1. Podstawowe właściwości materiałów budowlanych
   
   Każdy materiał budowlany na szereg właściwości, które decydują o jego zastosowaniu. Właściwości te nazywamy cechami technicznymi materiału. Właściwości materiałów są różnego rodzaju i ze względu na swój charakter dzielą się na trzy zasadnicze grupy: fizyczne, mechaniczne i chemiczne.
   Ustalenie cechy danego materiału nie ogranicza się do jego oględzin zewnętrznych, lecz niezbędny jest wykonanie laboratorium szeregu czynności zwanych badaniami materiału. Ustalenie cechy materiału przez badania nazywamy oznaczeniem tej cechy.
   Do podstawowych cech fizycznych należą min.:
   a) gęstość
   b) gęstość pozorna
   c) szczelność
   d) porowatość
   e) nasiąkliwość
   f) wilgotność
   g) przesiąkliwość
   h) współczynnik rozmięknienia materiału
   i) kapilarność
   j) mrozoodporność

2. Definicje cech fizycznych i przeprowadzanie ich oznaczeń

1. Gęstość
   Gęstością materiału nazywamy stosunek masy materiału do objętości tego materiału bez porów. Oblicza się ją ze wzoru:
   
   
   gdzie:
   
   - masa próbki w g;
   
   - objętość „absolutna” próbki w cm³
   
   Oznaczenie gęstości przeprowadza się w pirometrze (pomiar dokładny) lub w objętościomierzu (kolbie) Le Chateliera (pomiar przybliżony). W oznaczeniach budowlanych wystarczy przeprowadzić pomiar przybliżony. Polega on na wsypywaniu małymi porcjami do kolby przygotowanej wcześniej, sproszkowanej próbki materiału. Kolba wypełniona jest benzenem lub spirytusem skażonym. Przed przystąpieniem do oznaczenia należy wyrównać poziom płynu w kolbie do poziomu „0”, oraz zważyć z dokładnością do 0,02 g badaną próbkę. Proszek należy wsypywać do momentu aż na górnej skali będzie możliwy odczyt objętości. Pozostałość (niewyspana) proszku waży się i z różnicy mas określa się ilość wsypanego proszku. Ze stosunku masy wsypanego proszku i jego objętości oblicza się wielkość gęstości.

2. Gęstość pozorna
   Gęstością pozorną materiału nazywamy stosunek masy materiału do jego objętości łącznie z porami. Obliczamy ją ze wzoru:
   
   
   gdzie:
   m- masa próbki w g;
   V- objętość próbki w stanie naturalnym w cm³
   
   Oznaczenie materiałów o budowie zwartej określa się dwoma metodami:
   
   bezpośrednią - dla próbek o kształcie regularnym;
   hydrostatyczną- dla próbek o kształcie nieregularnym;
   
   Oznaczenie gęstości pozornej metodą bezpośrednią polega na rachunkowym obliczeniu objętości wykorzystując pomiary bryły wykonane przy użyciu np. linijki, zważeniu próbki i wyliczeniu gęstości pozornej ze wzoru.
   Oznaczenie gęstości pozornej metodą hydrostatyczną polega na osuszeniu próbki do stałej masy, zważeniu, a następnie nasyceniu wodą. Po nasyceniu próbkę zanurzamy w objętościomierzu i oznaczamy jej objętość. Możemy ją również wyznaczyć przy użyciu wagi hydrostatycznej (wykorzystanie prawa Archimedesa), tj. ważymy próbkę w wodzie, a z różnicy mas określamy objętość.
   Uzyskane wartości podstawia się do poniższego wzoru:
   
   
   gdzie:
   m₁-masa próbki zważonej w powietrzu w g;
   m₂-masa próbki zważonej na wadze hydrostatycznej w g;
   
   -gęstość próbki w g/cm³
   Innym, mniej dokładnym sposobem określenia objętości próbki o nieregularnym kształcie jest zanurzenie próbki w menzurce napełnionej wodą i odczytanie różnicy poziomów przed i po jej zanurzeniu.

3. Gęstość nasypowa
   Gęstość nasypowa jest to masa jednostki objętości materiałów sypkich, w stanie luźnym lub utrzęsionym. Wzory opisujące te wielkości to:
   
   ,
   

4. Szczelność
   Szczelność materiału jest to liczba określająca zawartość substancji materiału w jednostce objętości, jest ona wyrażona jako stosunek gęstości pozornej do gęstości materiału suchego. Szczelność określa, jaką część całkowitej objętości zajmuje masa badanego materiału, bez porów. Oblicza się ją ze wzoru:
   
   

5. Porowatość
   Porowatość materiału jest to liczba określająca zawartość wolnych przestrzeni (porów) w jednostce objętości materiału. Oblicza się ją ze wzoru:
   
   (%)
   Ponadto znając wartości gęstości i gęstości pozornej możemy obliczyć porowatość materiału ze wzoru:
   
   (%)
   Szczelność i porowatość materiałów mają duże znacznie, ponieważ decydująco wpływają na inne właściwości np. wytrzymałość materiału, jego nasiąkliwość, odporność na zamarzanie i właściwości izolacyjne.

6. Nasiąkliwość
   Nasiąkliwość jest to zdolność wchłaniania wody przez materiał. Pod tym pojęciem rozumiemy możliwość maksymalnego nasycenia wodą danego materiału.
   Rozróżniamy następujące metody nasycania materiału wodą:
   
   moczenie (stopniowe zalewanie materiału do pełnego zanurzenia);
   gotowanie;
   podciśnienia- tzw. próżniowa (odciąganie powietrza z materiału zanurzonego w wodzie);
   ciśnienia (wtłaczanie wody w materiał z jednoczesnym pozbawianiem go powietrza zawartego w porach);
   
   Nasiąkliwość wagowa, jest to stosunek masy pochłoniętej wody do masy próbki w stanie suchym i wyraża się wzorem:
   
   (%)
   gdzie:
   
   -masa próbki stanie nasyconym wodą w g;
   
   -masa próbki w stanie suchym w g;
   
   Nasiąkliwość objętościowa:
   
   (%)
   gdzie:
   V- objętość próbki w cm³;
   
   Stosunek nasiąkliwości objętościowej do wagowej daje nam gęstość pozorną materiału:
   
   

7. Współczynnik rozmięknienia materiału
   Współczynnikiem rozmięknienia materiału nazywamy stosunek wytrzymałości na ściskanie materiału nasyconego wodą (
   ) do wytrzymałości na ściskanie materiału suchego (
   ). Współczynnik ten charakteryzuje materiał po względem jego przydatności w miejscach narażonych na zawilgocenie. Jego wzór to:
   
   
   gdzie:
   
   - wytrzymałość na ściskanie próbki suchej w MPa;
   
   - wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą w MPa;

8. Wilgotność
   Zawartość wilgoci (wilgotność) w materiale określa stosunek masy wody pobranej przez materiał na skutek działania czynników atmosferycznych, do masy materiału suchego. Wilgotność obliczamy korzystając ze wzoru:
   
   (%)
   gdzie:
   W - zawartość wilgoci w %;
   
   - masa kruszywa w stanie wilgotnym w g;
   
   - masa kruszywa w stanie suchym w g;

9. Przesiąkliwość
   Przesiąkliwość polega na przenikaniu przez materiał wody pod ciśnieniem. Stopień przesiąkliwości mierzy się ilością wody, która przenika pod stałym ciśnieniem przez określoną powierzchnię materiału podczas jednostki czasu. Przesiąkliwość jest to podatność materiału na przepuszczanie wody pod ciśnieniem przez określoną powierzchnię, w określonym czasie.

10. Kapilarność
    Kapilarność materiału (włoskowatość) jest to zdolność do podciągania w górę wody przez włoskowate kanaliki materiału, pozostającego w zetknięciu z wodą. Zdolność kapilarnego podciągania wody zależy o wewnętrznej budowy materiału.

11. Mrozoodporność
    Odporność na zamarzanie (mrozoodporność) jest to właściwość materiału polegająca na przeciwstawieniu się całkowicie nasyconego materiału działaniu zamarzającej wody, znajdującej się wewnątrz materiału (w porach), przy wielokrotnym zamrażaniu i odmrażaniu.
    Oznaczenie mrozoodporności polega na podawaniu próbki badanego materiału nasyconej wodą wielokrotnemu zamrażaniu do temperatury -15^oC lub -20^oC, a następnie rozmrażaniu do temperatury +20^oC. Ilość cykli jest różna i wynosi o 15 do kilkuset, w zależności od warunków, w jakich będzie pracował badany materiał. Ocena mrozoodporności polega na stwierdzeniu, czy badany materiał ulega niszczeniu. Po badaniu przeprowadza się opis makroskopowy (obecność rys, spękań, rozwarstwień, zaokrągleń naroży i krawędzi itp.), obliczamy stratę masy oraz współczynnik odporności na zamarzanie:
    
    
    gdzie:
    
    - wytrzymałość próbki po ostatnim cyklu zamrażania w MPa;
    
    - wytrzymałość próbki nasyconej wodą nie poddawanej zamrażaniu w MPa;
    

3. CEL ĆWICZENIA
   
   Celem ćwiczenia jest wykonanie następujących oznaczeń:

• Oznaczenie gęstości próbki betonu komórkowego w kolbie Le Chateliera;

• Oznaczenie gęstości pozornej próbki betonu komórkowego kształcie regularnym;

• Oznaczenie gęstości pozornej próbki betonu komórkowego kształcie nieregularnym;
  

Następnie na podstawie przeprowadzonych oznaczeń należy obliczyć wartości następujących cech fizycznych badanej próbki betonu komórkowego:

• Nasiąkliwość wagową badanej próbki betonu komórkowego;

• Nasiąkliwość objętościową badanej próbki betonu komórkowego;

• Gęstość pozorną badanej próbki betonu komórkowego na podstawie wyników badania nasiąkliwości;

• Szczelność badanej próbki betonu komórkowego;

• Porowatość badanej próbki betonu komórkowego;
  

4. PRZEBIEG WYKONYWANYCH CZYNNOŚCI
   

• Oznaczenie gęstości próbki betonu piaskowca w kolbie Le Chateliera:

1. Odważamy 170,74 g sproszkowanego piaskowca wraz z naczyniem

2. Uzupełniamy ciecz w kolbie Le Chateliera do poziomu „0”

3. Małymi porcjami wsypujemy materiał do kolby, aż do momentu osiągnięcia przez ciecz poziomu „20” (objętość wsypanego piaskowca wynosi 20 cm³)

4. Ważymy pozostały, nie wsypany do kolby proszek

5. ROZWIĄZANIE:
   Dane:
   (objętość próbki) V_A=20,00 cm³
   (masa początkowa próbki z naczyniem)
   =170,74 g
   (masa nie wsypanego proszku z naczyniem)
   =118,61 g
   
   Obliczenia:
   Masa próbki wsypanej do kolby:
   m=
   -
   =170,74 g- 118,61 g = 52,13 g
   Gęstość badanej próbki betonu komórkowego:
   
   = 52,13 / 20
   2,61 [g/cm³]
   

• Oznaczenie gęstości pozornej próbki piaskowca o kształcie nieregularnym:

1. Ważymy osuszoną próbkę piaskowca

2. Nasączamy próbkę piaskowca

3. Napełniamy menzurkę wodą do poziomu 200 cm³

4. Wkładamy do menzurki nasączoną próbkę piaskowca

5. Odczytujemy poziom wody w menzurce

6. ROZWIĄZANIE:
   Dane:
   (początkowy poziom wody) V_p= 200 cm³
   (końcowy poziom wody) V_k= 252 cm³
   (masa próbki suchej, podana przez prowadzącego) m_s=113,53 g
   
   Obliczenia:
   Objętość badanej próbki:
   V₂= V_k- V_p=252 cm³-200 cm³= 52 cm³
   Gęstość pozorna:
   
   = 113,53 / 52
   2,18 [g/cm³]

Obliczenie nasiąkliwości wagowej badanej próbki piaskowca:
Dane:
(masa próbki nasączonej) m_n=120,72 g
(masa próbki suchej, podana przez prowadzącego) m_s=113,53 g

Obliczenia:

6,33 [%]

Obliczenie nasiąkliwości objętościowej badanej próbki piaskowca:
Dane:
(masa próbki nasączonej) m_n=120,72 g
(masa próbki suchej, podana przez prowadzącego) m_s=113,53 g
(objętość próbki) V₂= 52 cm³

Obliczenia:

13,83 [%]

Obliczenie gęstości pozornej badanej próbki piaskowca na podstawie
wyników badania nasiąkliwości;
Dane:
(nasiąkliwość wagowa)
=6,33 %
(nasiąkliwość objętościowa)
= 13,83 %

Obliczenia:

2,18 [g/ cm³]

Obliczenie szczelności badanej próbki piaskowca;

1. dla próbki o nieregularnym kształcie:
   
   0,89

2. dla gęstości pozornej wyznaczonej przy pomocy nasiąkliwości:
   
   0,84

7. Obliczenie porowatości badanej próbki betonu komórkowego;

1. dla próbki o nieregularnym kształcie:
   
   11 [%]

2. dla gęstości pozornej wyznaczonej przy pomocy nasiąkliwości:
   
   16 [%]

5. WYNIKI I WNIOSKI
   Zestawienie wyników oznaczeń cech fizycznych materiału budowlanego
   
   BETONU KOMÓRKOWEGO
   
   

Lp.	Oznaczenie		Jednostka	Obliczenia i wyniki oznaczeń	Dane materiału budowlanego do obliczeń
1	Gęstość w kolbie Le Chateliera		g/cm^3	2,61	masa: m=52,13 g objętość: VA=20,00 cm^3
2	Gęstość pozorna	Kształt regularny	g/cm^3	---	masa: m=--- g objętość: V1= --- cm^3
					Kształt nieregularny		2,61	masa: ms=120,72 g objętość: V2= 52 cm^3
	3	Szczelność		%	0,89	dane z oznaczeń 1 i 2
							0,84	dane z oznaczeń 1 i 7
	4			Porowatość		%	11%	dane z oznaczeń 1 i 2
							16%	dane z oznaczeń 1 i 7
5	Nasiąkliwość wagowa		%	6,33	masa próbki suchej: ms=113,72 g masa próbki nasyconej: mn=120,52 g
6	Nasiąkliwość objętościowa		%	13,83	masy jak w punkcie 5 objętość: V2= 52 cm^3
7	Gęstość pozorna		g/cm^3	2,19	=6,33 % = 13,83 %


Porównanie wyników przeprowadzonych oznaczeń z cechami innych materiałów kamiennych:


Lp.	Oznaczenie	Jednostka	Piasek	Materiały porównawcze
								granit	marmur żylasty	wapień
1	Gęstość	g/cm^3	1,57	2,66	2,67	2,60
2	Gęstość pozorna	kg/m^3	2321	2630	2690	1420
3	Szczelność	%	48- 42	98,87	99,77	54,6
4	Porowatość	%	52- 58	1,13	0,33	45,4
5	Nasiąkliwość wagowa	%	52,27	0,2- 0,3	0,11- 0,22	26,6


Wnioski:

W tabeli porównano wyniki przeprowadzenia oznaczeń dla badanej próbki piasku z danymi trzech różnych kamieni naturalnych. Po przeprowadzeniu porównania dochodzimy do następujących wniosków:

1. Im mniejsza różnica między gęstością pozorną a gęstością tym większa szczelność.

2. Im większa porowatość tym większa nasiąkliwość wagowa.

3. Po porównaniu powyższych wyników materiały zawarte w tabeli można uszeregować od najbardziej szczelnego (najmniej porowatego) do najbardziej porowatego (najmniej szczelnego) w kolejności: marmur żylasty, granit, wapień, beton komórkowy.







4

---