Zakład Budownictwa Ogólnego

Ć

WICZENIE NR 8,9

Materiały bitumiczne - pomiar penetracji asfaltu

Stal - pomiar twardo

ś

ci metali sposobem Brinella

Instrukcja z laboratorium:
„Materiały budowlane”
„Budownictwo ogólne i materiałoznawstwo”

Instrukcja do ćwiczenia nr 8 i 9

Strona 2

8.1. Pomiar penetracji asfaltów

Penetracja asfaltów jest to konsystencja wyrażona jako głębokość (w dziesiętnych

częściach milimetra), na jaką wnika pionowo w próbkę badanego asfaltu igła, w określonych
warunkach temperatury, obciążenia i czasu obciążenia. Jednostką penetracji (stopień penetracji)
jest liczba niemianowana odpowiadająca zagłębieniu 0,1 mm igły penetracyjnej.

Pomiar przeprowadza się w penetrometrze automatycznym lub ręcznym (rys. 8.1).

Penetracja próbki jest mierzona przy użyciu standardowej igły w ustalonych warunkach oznaczania.
W przypadku penetracji do 500 x 0,1 mm, stosowanymi parametrami oznaczania są: temperatura
25

o

C, obciążenie 100g, czas trwania obciążenia 5 s. W przypadku penetracji powyżej 500 x 0,1 mm

temperatura jest obniżona do 15

o

C, natomiast parametry oznaczania, tj. obciążenie i czas trwania

obciążenia pozostają niezmienione.

Podstawowe części penetrometru to: metalowy statyw

z podstawą, ruchomy stolik osadzony na śrubach, imadła do
regulowania początkowego położenia igły oraz tarczy, igła
penetracyjna ze stali niekorodującej, hartowanej o polerowanej
powierzchni, tarcza ze skalą o 360 podziałkach i strzałką
rejestrującą położenie igły penetracyjnej, lusterko ruchome
przymocowane do statywu.

Penetrometr powinien zapewniać następujące warunki

pomiaru:

•

poziome położenie próbki badanego asfaltu;

•

pionowy ruch sworznia bez tarcia w ustalonym czasie;

•

sumaryczną masę sworznia, igły i obciążnika wynoszącą 100 g;

•

pomiar do 420 jednostek na penetrometrze automatycznym oraz do
360 jednostek na ręcznym.

Aby zapewnić utrzymanie stałej temperatury potrzebna jest

łaźnia wodna o objętości co najmniej 10 l i zapewniająca utrzymanie
temperatury badanej próbki z dokładnością do ± 0,1

o

C. Można także

użyć małej przenośnej łaźni do badań wykonywanych poza łaźnią.
Łaźnia ta powinna mieć objętość co najmniej 350 ml i powinna
zapewnić całkowite przykrycie wodą naczynka penetracyjnego.

Przygotowanie próbki.

Należy pobrać minimum 100 g asfaltu z próbki laboratoryjnej i przenieść ja do

odpowiedniego pojemnika. Materiał podgrzać do temperatury od 80

o

C do 90

o

C wyższej od

przewidywanej temperatury mięknienia. Napełnić czyste (wolne od kurzu, zatłuszczeń i rdzy)
naczynko penetracyjne do takiego poziomu, aby po oziębieniu badanej próbki do temperatury
pomiaru, wysokość warstwy próbki była co najmniej o 10 mm większa niż głębokość, do której
przewiduje się zagłębienie igły. Naczynko penetracyjne, cylindryczne metalowe lub szklane
z płaskim dnem o wymiarach podanych w tablicy 8.1:

Tab. 8.1. Zalecane wymiary naczynek penetracyjnych.

Penetracja (p) (0,1 mm)

Wewnętrzna głębokość (mm)

Wewnętrzna średnica (mm)

p < 200

35

55

200≤p<350

45

70

350≤p<500

60

70

W przypadku penetracji mniejszych niż 100 x 0,1 mm wysokość pierścienia powinna

wynosić 20 mm ± 1 mm. W przypadku penetracji od 100 x 0,1 mm do 200 x 0,1 mm wysokość
pierścienia powinna wynosić 30 mm ± 1 mm. Bezpośrednio po napełnieniu naczynko penetracyjne
nakryć luźno dowolnym naczyniem, np. zlewką odpowiednich rozmiarów. Temperatura chłodzenia
próbek 15

o

C

÷

30

o

C:

Rys. 8.1. Penetrometr ręczny

Instrukcja do ćwiczenia nr 8 i 9

Strona 3

•

próbki o wysokości warstwy ≤ 45 mm – czas chłodzenia 60

÷

90 min, (objętość < 180 ml);

•

próbki o wysokości warstwy 45

÷

60 mm – czas chłodzenia 90

÷

120 min (objętość < 180

ml);

•

próbki o wysokości warstwy 45

÷

60 mm – czas chłodzenia 60

÷

120 min (objętość ≥ 180

ml);

licząc na każde 100 ml próbki. Następnie próbkę umieścić w łaźni o ustalonej temperaturze na
taki czas, jaki został użyty do chłodzenia próbki i rozpocząć badanie.

Przygotowanie penetrometru do pomiaru polega na sprawdzeniu, czy ruch sworznia nie

powoduje tarcia. W przypadku stosowania automatycznego penetrometru sprawdzić, czy wyłącznik
działa prawidłowo (tzn. czy wyłącza się dokładnie, np. w piątej sekundzie). Sprawdzić, czy wartość
sumarycznej masy sworznia, igły i obciążnika wynosi 100,0 ± 0,1 g.

Wykonanie pomiaru Po upływie czasu potrzebnego na przygotowanie próbki umieścić

naczynko penetracyjne na stanowisku badawczym, powoli opuścić igłę, aby jej koniec ściśle pokrył
się z jej odbitym obrazem na powierzchni próbki. Dopilnować aby pozycja zerowa igły została
odnotowana. Szybko zwolnić sworzeń na określony czas. Wykonać co najmniej trzy ważne
pomiary na powierzchni próbki do badań za pomocą trzech oddzielnych igieł, w punktach
umieszczonych nie bliżej niż 10 mm od brzegu naczynka i oddalonych od siebie nie mniej niż 10
mm. Do każdego oznaczenia należy użyć czystej igły. Jeśli penetracja jest większa niż 100 x 0,1
mm pozostawić wszystkie igły w badanej próbce, aż wszystkie pomiary nie będą zakończone.
W przypadku, gdy badanie wykonywane jest poza łaźnią i trzy pomiary nie mogą być wykonane
w czasie 2 minut, przenieść badaną próbkę i małą łaźnię do łaźni wodnej i powtórzyć oznaczenie.
Do badań wykonywanych w temperaturze 25

o

C z zastosowaniem całkowitego obciążenia 100 g

i w czasie trwania 5 s, należy przyjąć trzy pomiary, których wyniki nie przekraczają wartości
z tabeli:

Tab..2. Dopuszczalne różnice między największym i najmniejszym wynikiem penetracji.

Penetracja w 0,1 mm

do 49

od 50 do 149

od 150 do 249 250 i powyżej

Maksymalne różnice pomiędzy wynikiem największym i najmniejszym

2

4

6

8

Jeżeli zostały przekroczone odpowiednie maksymalne różnice, wyniki odrzucić i powtórzyć

badanie z użyciem drugiego naczynka z próbką do badań. Badanie powtarzać aż do uzyskania dla
tej samej próbki do badań 3 ważnych pomiarów.

Wynik pomiaru. Za wynik należy przyjąć średnią arytmetyczną wyników otrzymanych dla

prawidłowo prowadzonych pomiarów, wyrażonych w dziesiętnych milimetra i zaokrąglonych do
najbliższej liczby całkowitej.

Tab. 3. Wymagania dotyczące wyników penetracji.

Warunki oznaczania

Penetracja w 0,1 mm

Powtarzalność r

Odtwarzalność R

25

o

C

100 g

5 s

< 50

≥

50

2

4% wart. średniej

3

6% wart. średniej

15

o

C

100 g

5 s

≥

50

5% wart. średniej

8% wart. średniej

5

o

C

200 g

60 s

< 50

≥

50

2

9% wart. średniej

4

13% wart. średniej

Instrukcja do ćwiczenia nr 8 i 9

Strona 4

9.1. Pomiar twardości metali sposobem Brinella

Pomiar twardości sposobem Brinella polega na wciskaniu

przez określony czas twardej kulki w powierzchnię badanej próbki.
Ś

rednica odcisku kulki zmierzona po odciążeniu służy do obliczenia

twardości.

Schemat pomiaru z podaniem podstawowych oznaczeń

zamieszczono na rys.9.1, natomiast rys.9.2 przedstawia ogólny widok
twardościomierza Brinella.

Ogólna zasada pomiaru polega na wciskaniu znormalizowanej

kulki w płaską, wygładzoną część powierzchni próbki. Twardość jest
określana jako iloraz siły F przez powierzchnię S czaszy odciśniętej
w metalu przez kulkę.

Kulki pomiarowe. Używa się kulki wykonane z węglików spiekanych - materiału

o znacznej twardości, o grubościach 10; 5; 2,5 i 1 mm, zgodnie z ISO 6506-2.

Przygotowanie próbki. Powierzchnia badanego przedmiotu w miejscu pomiaru twardości

powinna być płaska i równa oraz oczyszczona ze zgorzeliny, smaru itp. Podczas wygładzania
należy wystrzegać się zmiany twardości przez nagrzanie lub zgniot. Dopuszcza się ślady obróbki
mechanicznej. Obróbkę powierzchni badanej próbki można wykonać
szlifowaniem. Do badania twardości za pomocą kulki o średnicy
D = 1 mm powierzchnię próbki należy wypolerować.

Kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem

zastosowania do pomiarów odpowiedniego stolika przedmiotowego
twardościomierza, zapewniającego:

•

prostopadłość

powierzchni

pomiarowej

do

kierunku

działania

obciążenia;

•

położenie próbki bez odkształceń sprężystych i przesunięć pod wpływem
działania obciążenia.

Grubość próbki powinna być co najmniej 8 razy większa niż

głębokość odcisku h obliczonego według zależności (9.1):

)

/

1

1

(

2

2

2

D

d

D

h

−

−

=

(9.1)

gdzie: h – głębokość odcisku, mm;

D - średnica kulki, mm;

d – średnia średnica odcisku.

Minimalne grubości próbek do badań w zależności od

ś

redniej średnicy odcisku podaje tablica 9.3 (na końcu instrukcji).

Wykonanie pomiaru. Badanie przeprowadza się w temperaturze otoczenia w zakresie od

10 °C do 35 °C . W warunkach kontrolowanych należy zapewnić temperaturę (23 ± 5) °C.

Odległość od brzegu próbki do środka każdego odcisku powinna być co najmniej dwa i pół

razy większa od średniej średnicy odcisku, natomiast odległość miedzy środkami dwóch sąsiednich
odcisków powinna być co najmniej trzy razy większa od średniej średnicy odcisku.

Zaleca się stosowanie kulki o średnicy 10 mm; jeżeli grubość badanej próbki na to nie

pozwala, należy stosować kulkę o mniejszej średnicy, lecz możliwie największą dopuszczalną.

Obciążanie kulki powinno się odbywać równomiernie, bez wstrząsów, do uzyskania żądanej

siły. Czas od początku przyłożenia siły obciążającej, aż do osiągnięcia przez nią pełnej wartości
nominalnej nie powinien mieścić się w zakresie od 2 s do 8 s. Siłą obciążającą należy działać na
próbkę od 10 s do 15 s.

Wielkość siły obciążającej wg EN ISO 6506-1: 2005 podano w tablicy 9.1.

Rys. 9.2. Twardościomierz Brinella.

P

d

h

D

Rys. 9.1. Schemat oznaczania twar-

dości stali metodą Brinella.

Instrukcja do ćwiczenia nr 8 i 9

Strona 5

Tab.9.1. Siły obciążające dla różnych warunków badania wg EN ISO 6506-1:2005.

Symbol

twardości

Średnica

kulki

D

mm

Stosunek

siła-średnica

0,102 x F/D

2

N/mm

2

Nominalna wartość siły

obciążającej

F

HBW 10/3000

10

30

29,42 kN

HBW 10/1500

10

15

14,71 kN

HBW 10/1000

10

10

9,807 kN

HBW 10/500

10

5

4,903 kN

HBW 10/250

10

2,5

2,452 kN

HBW 10/100

10

1

980,7 N

HBW 5/750

5

30

7,355 kN

HBW 5/250

5

10

2,452 kN

HBW 5/125

5

5

1,226 kN

HBW 5/62,5

5

2,5

612,9 N

HBW 5/25

5

1

245,2 N

HBW 2,5/187,5

2,5

30

1,839 kN

HBW 2,5/62,5

2,5

10

612,9 N

HBW 2,5/31,25

2,5

5

306,5 N

HBW 2,5/15,625

2,5

2,5

153,2 N

HBW 2,5/6,25

2,5

1

61,29 N

HBW 1/30

1

30

294,2 N

HBW 1/10

1

10

98,07 N

HBW 1/5

1

5

49,03 N

HBW 1/2,5

1

2,5

24,52 N

HBW 1/1

1

1

9,807 N

Tab. 9.2. Stosunek 0,102 x F/D

2

dla różnych metali wg EN ISO 6506-1:2005.

Materiał

Twardość Brinella

HBW

Stosunek

siła-średnica

0,102 x F/D

2

N/mm

2

Stal, stopy niklu, stopy tytanu

30

Ż

eliwo

a

< 140
≥

140

10
30

< 35

5

35 do 200

10

Miedź i stopy miedzi

> 200

30

< 35

2,5

35 do 80

5

10
15

Metale lekkie i ich stopy

> 80

10
15

Ołów, cyna

1

Metale spiekane

zgodnie z normą ISO 4498-1

a

Do pomiaru twardości żeliwa należy stosować kulki o nominalnej średnicy 2,5 mm, 5 mm, lub 10 mm.

Pomiar średnicy odcisku jest przeprowadzany mikroskopem pomiarowym lub innym

przyrządem pomiarowym (np. lupki). Średnicę odcisku należy mierzyć w dwóch wzajemnie
prostopadłych kierunkach. Średnia arytmetyczna obu pomiarów służy do obliczania twardości Brinella.

Obliczanie i oznaczanie wyników. Twardość oblicza się, korzystając z następującej zależności:

(

)

2

2

2

/

1

1

2

102

,

0

102

,

0

D

d

D

F

S

F

HBW

−

−

⋅

=

=

π

(9.2)

gdzie: D - średnica kulki; mm;

F - siła obciążająca; N;

d - średnica odcisku; mm;

S - pole powierzchni odcisku, mm

2

;

0,102 – stała równa 1/9,80665, gdzie 9,80665 stanowi współczynnik przeliczeniowy z kG na N;

HBW - twardość Brinella.

Symbol jednostki twardości Brinella HBW uzupełnia się liczbami oznaczającymi: średnicę kulki,

wielkość stosowanego obciążenia i czas działania obciążenia. Poniżej podano przykład oznaczenia twardości
Brinella, HBW:

600 HBW 1/30/20

Instrukcja do ćwiczenia nr 8 i 9

Strona 6

Gdzie: 600 – wartość twardości Brinella;
HBW – symbol twardości,
1 – średnica kulki, mm;
30 – przybliżona równowartość siły obciążającej, kG (30 kG = 294,2 N);
20 – czas działania obciążenia (20 s), jeśli nie sprecyzowano, to 10÷15 s;

Po zakończeniu badań należy sporządzić protokół zawierający: oznaczenie identyfikujące

badaną próbkę, średnicę użytej kulki, wielkość obciążenia, nominalny czas działania obciążenia,
twardość poszczególnych odcisków, średnicę odcisku oraz ewentualne uwagi odnośnie do
przeprowadzonych pomiarów.

Tab. 9.3. Minimalna grubość próbki do badań w zależności od średniej średnicy odcisku

wg EN ISO 6506-1:2005 (wymiary w milimetrach).

Minimalna grubość próbki do badań

Średnia średnica

odcisku

d

D = 1

D = 2,5

D = 5

D = 10

0,2

0,08

0,3

0,18

0,4

0,33

0,5

0,54

0,6

0,80

0,29

0,7

0,40

0,8

0,53

0,9

0,67

1,0

0,83

1,1

1,02

1,2

1,23

0,58

1,3

1,46

0,69

1,4

1,72

0,80

1,5

2,00

0,92

1,6

1,05

1,7

1,19

1,8

1,34

1,9

1,50

2,0

1,67

2,2

2,04

2,4

2,46

1,17

2,6

2,92

1,38

2,8

3,43

1,60

3,0

4,00

1,84

3,2

2,10

3,4

2,38

3,6

2,68

3,8

3,00

4,0

3,34

4,2

3,70

4,4

4,08

4,6

4,48

4,8

4,91

5,0

5,36

5,2

5,83

5,4

6,33

5,6

6,86

5,8

7,42

6,0

8,00

Grupa LP-……/zespół ……

Data……………

1. …………………………

2. …………………………

3. …………………………

4. …………………………

Ć

wiczenie 8

POMIAR PENETRACJI ASFALTU

Temperatura

pomiaru

Wartość

penetracji

Wartość średnia

Nr

pomiaru

°

C

0,1 mm

0,1 mm

1

2

3

……………………

Wnioski: ………………..………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………

Ć

wiczenie 9

OZNACZANIE TWARDOŚCI STALI METODĄ BRINELLA

Średnica

odcisku

Średnica

kulki

D

Wartość siły

nacisku

F

d

1

d

2

d

ś

r

Pole

powierzchni

odcisku

S

Pomiar

mm

N

mm

mm

mm

mm

2

Twardość HBW

1

2

3

4

7

8

Uwagi dodatkowe: ……………………………………………………………………….…………

…………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………