1. WSTĘP

Materiały budowlane są to tworzywa z których wykonywane są obiekty budowlane. Dzielą się one na naturalne, wytworzone przez przyrodę (kamień naturalny, glina, drewno, słoma, torf) i sztuczne, czyli stworzone przez człowieka (beton, zaprawa, spoiwa, wyroby ceramiczne). Wszystkie materiały budowlane mają swoje właściwości fizyczne, czyli cechy charakterystyczne za pomocą których można określić substancje z jakich zbudowany jest materiał, jego rodzaj i reakcje tych materiałów na poszczególne czynniki. Pozwala to dobrać odpowiednie materiały do warunków atmosferycznych w których, dany obiekt będzie się znajdował.

Zaliczamy do nich:

• Gęstość ρ, gęstość objętościowa ρ_o i gęstość nasypowa (dotyczy tylko materiałów sypkich) ρ_n [kg/m³]

• Ciężar właściwy γ i ciężar objętościowy γ [N/m³; kN/m³]

• Szczelność s[%]

• Porowatość P [%]

• Nasiąkliwość wagowa n_w i objętościowa n_o [kg/m³]

• Wilgotność w [%]

• Kapilarność

• Przesiąkliwość (istotne dla materiałów w budownictwie hydrotechnicznym) wyróżniamy : wodoszczelność, gazoszczelność i paroszczelność

• Mrozoodporność

• Przewodność cieplna λ [W/mK]

• Pojemność cieplna

• Rozszerzalność cieplna

• Skurcz i pęcznienie

• Higroskopijność

• Ogniotrwałość

• Ognioodporność

• Palność

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest poznanie wybranych właściwości fizycznych różnych materiałów:

• ciężar objętościowy i nasypowy

• nasiąkliwość wagową i objętościową

• wilgotność naturalną

• szczelność i porowatość niektórych materiałów.

Wyznaczenie tych właściwości możliwe jest za pomocą wyników badań:

• Gęstości objętościowej metodą bezpośrednią

• Gęstości objętościowej metodą hydrostatyczną

• Gęstości nasypowej w stanie luźno usypanym i utrzęsionym

• Podciągania kapilarnego

1. OPIS BADAŃ

Opis próbek

Do badań używaliśmy różnych rodzajów cegieł (klinkierowe, pełne, szamotowe), betonów (drobnoziarniste, komórkowe szare i białe, z popiołem, z jazu i z bazaltem ), zapraw cementowych, drewna (świerk, sosna, dąb, buk), izolacji cieplnych (wata szklana, wełna mineralna, styropian) i kruszyw naturalnych (pospółka, żwir, piasek, kliniec bazaltowy). Próbki miały kształt prostopadłościanów, sześcianów lub walców i o nieregularnych kształtach o zamkniętych porach, oraz luźne

Opis wykonywania badań

1. Badanie i obliczanie gęstości objętościowej metodą bezpośrednią

Metodą bezpośrednią badaliśmy próbki, które miały kształt prostopadłościanów, sześcianów lub walców. Objętość V obliczaliśmy za pomocą pomiarów metrówki, a masę próbki po nasyceniu m_m za pomocą wagi. Określenie masy próbki po wysuszeniu m_s poprzez odczytanie wartości z tablic.

Obliczenie gęstości objętościowej ze wzoru:

[g/cm³]

Gdzie;

ρ_o- gęstość objętościowa [g/cm³]

m_s- masa próbki po wysuszeniu [g]

V- objętość [cm³]

Przykładowe obliczenia dla cegły szamotowej (3SZ):

$$\rho_{o} = \frac{1908,3}{911,03} = 2,095\ \frac{g}{\text{cm}^{3}}$$

Obliczanie ciężaru objętościowego ze wzoru:

[kN/m³]

Gdzie;

- ciężar objętościowy [kN/m³]

- gęstość objętościowa [g/cm³]

g- przyśpieszenie ziemskie, przyjęto 9,81 [m/s]

γ_o = 2, 095 • 9, 81 = 20, 49

Pozostałe wyniki przedstawiono w tablicy nr 1

1. Badanie i obliczanie gęstości objętościowej za pomocą wagi hydrostatycznej

Metodą hydrostatyczną badaliśmy próbki o nieregularnych kształtach o zamkniętych porach za pomocą wagi hydrostatycznej. Masę próbki po nasyceniu m_m obliczaliśmy za pomocą wagi. Masę próbki po nasyceniu w wodzie m_mw obliczaliśmy za pomocą wagi hydrostatycznej. Określenie masy próbki po wysuszeniu m_s poprzez odczytanie wartości z tablic.

Objętość obliczaliśmy za pomocą wzoru:

[cm³]

Gdzie;

V- objętość próbki [cm³]

m_m- masa próbki po nasyceniu [g]

m_mw- masa próbki mokrej pod wodą [g]

- gęstość wody, przyjęto 1[g/cm³]

Przykładowe obliczenia dla betonu zwykłego (B10):

$$V = \frac{2507 - 1432}{1} = 1057\ \text{cm}^{3}$$

Gęstość objętościową i ciężar objętościowy obliczane tak jak w metodzie bezpośredniej.

ρ_o=2,213 g/cm³

γ_o=21,71 kN/m³

Wyniki przedstawiono w tablicy nr 2

1. Badanie i obliczanie gęstości nasypowej i objętościowej materiałów sypkich

Do naczynia pomiarowego o określonej pojemności, i masie wsypujemy kruszywo i określamy masę kruszywa z naczyniem.

Gęstość nasypową kruszywa w stanie luźnym obliczamy ze wzoru:

[g/cm³]

Gdzie;

- gęstość nasypowa [g/cm³]

m_k,n- masa naczynia z kruszywem [g]

m_n –masa naczynia [g]

V_n- objętość naczynia [cm³]

Przykładowe obliczenia dla bazaltu 4/16:

$$\rho_{n} = \frac{2242}{1500} = 1,495\ \frac{g}{\text{cm}^{3}}$$

Pozostałe wyniki przedstawiono w tablicy nr 3

1. Badanie szczelności i porowatości próbek

Szczelność i porowatość sprawdzaliśmy tylko dla dwóch pierwszych próbek tj. bazalt 4/16 i kruszywo kamienne 32/64.

Szczelność próbek obliczaliśmy za pomocą poniższego wzoru:

[%]

Gdzie;

s-szczelność [%]

- gęstość objętościowa materiału z „porami” [g/cm³]

- gęstość materiału bez porów [g/cm³]

$$s = \frac{1,495}{2,86} \bullet 100\% = 52,27\%$$

Porowatość określamy ze wzoru:

P=1-s [%]

P=1-0,5227=0,4773=47,73%

Wyniki przedstawiono w tablicy nr 3

1. Badania podciągania kapilarnego

Kapilarność jest to zdolność do podciągania wody na określoną wysokość przez badany materiał. W naszym doświadczeniu badaliśmy 3 próbki betonowe, 2 próbki gipsowe i 2 próbki cegieł. Wszystkie próbki ustawiamy do naczynia, wlewamy wodę i odczytujemy wysokość podciągnięcia wody przez poszczególne materiały. Dalsze odczyty prowadzimy co 15 minut.

Wyniki doświadczenia przedstawione są w tabeli nr 5 i na wykresie.

1. Badanie wilgotności naturalnej i nasiąkliwości próbek

Wilgotność naturalną próbek obliczamy za pomocą wzoru:

[%]

Gdzie;

w- wilgotność naturalna [%]

m_n- masa próbki przechowywana w warunkach naturalnych [g]

m_s- masa próbki po wysuszeniu [g]

$$w = \frac{1922 - 1908,3}{1908,3} \bullet 100\% = 0,76\%$$

Nasiąkliwość wagową wyznaczamy ze wzoru:

Gdzie;

n_w- nasiąkliwość wagowa [%]

m_m- masa próbki po nasyceniu [g]

m_s- masa próbki po wysuszeniu [g]

$$n_{w} = \frac{2044 - 1922,8}{1922,8} \bullet 100\% = 7,111\%$$

Nasiąkliwość objętościową wyznaczamy ze wzoru:

Gdzie;

n_o- nasiąkliwość objętościowa [%]

m_m- masa próbki po nasyceniu [g]

m_s- masa próbki po wysuszeniu [g]

$$n_{o} = \frac{2044 - 1922,8}{911,03} = 14,9\%$$

Wszystkie pozostałe wyniki przedstawiono w tablicy nr 4

1. WYNIKI BADAŃ

Wyniki badań przedstawiono w tablicach.

1. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

• Analiza wyników badań gęstości objętościowej poszczególnych materiałów

Na podstawie przeprowadzonych badań wynika, że największą gęstość objętościową mają takie materiały jak cegły, zaprawy cementowe i niektóre rodzaje betonu (kostka brukowa, beton z jazem lub bazaltem). Wartości te mieszczą się w granicach 2,3-1,7 g/cm³.

Porównując gęstość ceramiki porowatej z ceramiką zwartą widać, że średnia gęstość objętościowa cegły klinkierowej jest większa od cegły pełnej o około 0,2 g/cm³, a od cegły szamotowej o około 0,4 g/cm³. Świadczy to o tym, że jest ona gorszym izolatorem (ma największy współczynnik przewodzenia ciepła λ) ponieważ duża gęstość świadczy o małej ilości i wielkości porów.

Analizując wyniki średniej gęstości objętościowej różnych rodzajów betonów wynika że największą gęstość ma kostka brukowa, a następnie próbki betonu z domieszkami takimi jak jaz, bazalt czy popiół. Najmniejszą gęstość mają betony komórkowe białe i szare. Mają one blisko 4-krotnie mniejszą gęstość. Wynika to z tego, że do mieszanki cementowej wprowadza się pod dużym ciśnieniem gaz (zazwyczaj powietrze) przez co powstają jednorodne pory (komórki). Są to betony lekkie i są dobrymi izolatorami.

Znacznie mniejszą gęstość objętościową od ww. mają drewna (wielkość porównywalna z wielkością gęstości betonu komórkowego). Największą gęstość ma buk a najmniejszą świerk. Najmniejszą gęstość objętościową mają izolacje cieplne. Mają one 100 razy mniejszą wartość.

Różnice gęstości objętościowych zależą od ilości i wielkości porów, wpływa to zarówno na masę danego materiału i na jego objętość.

Wartości charakterystyczne ciężaru objętościowego wg normy są w porównywalne. Wyniki ciężarów objętościowych dla cegieł i zapraw cementowych są trochę większe od podanych w normach. Dla betonów nie można określić czy otrzymane wyniki są zgodne z normami, ponieważ nie były one podane dla konkretnych materiałów (tylko dla betonu zwykłego), ale można przypuszczać, że są poprawne. Najbliższą wartość do podanej w normach ma beton z bazaltem. Wartości ciężaru objętościowego drewna i izolacji jest mniejszy od podanych w normach. Nieścisłości te są związane z błędami pomiarowymi.

• Analiza wyników badań wilgotności, nasiąkliwości, szczelności, porowatości i kapilarności materiałów budowlanych

Analizując procentowe wartości wilgotności naturalnej poszczególnych grup materiałów budowlanych stwierdzamy, że najmniejszą wilgotnością charakteryzują się cegły klinkierowe a potem beton z jazem. Największą wilgotnością natomiast mają betony komórkowe oraz drewno. Można także zauważyć, że większą wartość wilgotności mają drzewa liściaste niż iglaste. Na podstawie wyników dostrzegamy, im większa była gęstość objętościowa tym mniejsza jest wilgotność. Wynika to z tego, że materiały o dużej gęstości objętościowej mają mniejszą higroskopijność.

Zastanawiający jest fakt że, próbki tego samego rodzaju np. cegła szamotowa, pełna lub beton komórkowy mają bardzo duże różnice w wartości wilgotności o ponad 100%, natomiast różnic tych nie ma w nasiąkliwości zarówno wagowej jak i objętościowej. Może to być spowodowane tym że próbki które badaliśmy były przechowywane w różny sposób, albo jedna z tych próbek była pęknięta bądź starsza i częściej eksploatowana. Mogło to wpłynąć na wilgotność naturalną próbki ale nie mogło na nasiąkliwość, ponieważ wilgotność jest zawartość wody w materiale w danej chwili natomiast nasiąkliwość jest to zdolność materiału do wchłaniania wody przy ciśnieniu atmosferycznym. Dlatego właśnie wartości nasiąkliwości są porównywalne ze sobą, gdyż nie mają na nie wpływu jakieś uszczerbki materiału. Wartości nasiąkliwości wagowej i objętościową charakteryzują się taką samą tendencją wzrostową. Podobnie też jak wilgotność naturalna. Przy czym najmniejszą nasiąkliwością wagową charakteryzuje się kostka brukowa potem beton z bazaltem i dopiero cegła klinkierowa. Największą wartości posiada drewno.

Na podstawie uzyskanych wyników szczelności i porowatości widać, że większą szczelność ma bazalt niż kruszywo kamienne.

Analizując wyniki badań podciągania kapilarnego wynika, że największą kapilarnością odznacza się gips a najmniejszą beton.

• Analiza wyników badań gęstości objętościowej uzyskanych przy zastosowaniu dwóch metod określania objętości materiału

W wyniku badania gęstości objętościowej betonu zwykłego metodą bezpośrednią i metodą z użyciem wagi hydrostatycznej uzyskano porównywalne wyniki.

1. WNIOSKI

Na podstawie analizy wyników możemy wywnioskować że:

• Im większa gęstość objętościowa tym mniej porów, a co za tym idzie mniejsza izolacyjność cieplna

• Im więcej porów tym mniejsza masa i objętość, a to wpływa na gęstość objętościową

• Wartość wilgotności jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości objętościowej.