I. KAPILARNOŚĆ CZYNNA I BIERNA

1. Wprowadzenie.

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.:

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

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

3. 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:

1. 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

1. 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:

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

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

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

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

5. ruch wody w kapilarach jest hamowany przez:

a) występujące w kapilarach pęcherzyki powietrza

b) zmiany przekroju kapilary.

2. Sposób oznaczenia kapilarności gruntu

2.1. Kapilarność bierna.

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.

2.2. Kapilarność czynna.

Grunt w stanie powietrzno - suchym należy tak rozdrobnić, aby nie było w nim grudek. Rurkę szklaną, zaopatrzoną u dołu w filtr lub siatkę, ustawia się na drewnianej deseczce i przez lejek wsypuje się porcjami badany grunt, każdorazowo w takiej ilości, aby powstała warstwa grubości 2 cm.

Każdą warstwę należy zagęścić lekkim ubijaniem, za pomocą ubijaka drewnianego. Po napełnieniu rurki gruntem wstawia się ją do naczynia w pozycji pionowej i przymocowuje do statywu za pomocą uchwytów, pokrytych gumowa powłoką. Po zamocowaniu rurki, do naczynia nalewa się wodę w takiej ilości, aby zanurzenie dolnego końca rurki wynosiło 1cm.

Rys. nr 2

Wysokość kapilarnego podnoszenia się wody obserwuje się po zmianie zabarwienia gruntu. W ciągu całego procesu badania należy uzupełniać wodę w naczyniu, aby utrzymać stały jej poziom. Wysokość kapilarnego podnoszenia się wody w gruncie określa się przez pomiar w następujących okresach czasu:1, 2, 5, 10, 15 i 30 min. oraz po 1, 2, 3, 4, 6 i 24 h , a następnie co 24 h, aż do uzyskania dwóch jednakowych wyników. Za początek kapilarnego podnoszenia się wody przyjmuje się czas, w którym poziom wody w gruncie zrówna się z poziomem wody w naczyniu. Wysokość kapilarnego podnoszenia się wody, mierzy się od poziomu wody w naczyniu do linii zmiany zabarwienia gruntu.

3.Wyniki badań.

3.1. Kapilarność bierna.

Doświadczenie przeprowadzono na próbce gruntu sypkiego o uziarnieniu 0,12 – 0,15 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	Początek badania
wstępne	65	65,0	Koniec badania wstępnego - pod próbką utworzył się pęcherzyk powietrza Hkb = 65,0 cm
właściwe	0	45,5	Początek badania właściwego h^* = 0,7 Hkb = 45,5 cm
właściwe	300	45,5
właściwe	305	50,5
właściwe	605	50,5
właściwe	610	55,5
właściwe	635	55,5	Koniec badania właściwego po 25 s utworzył się pod próbką pęcherzyk powietrza h = 55,5 cm

Obliczenie kapilarności biernej:

H_kb = ( h – 5,0 ) + Δh [cm] h = 55,5 cm

Δh = t ^. v t = 0,25 min. ; v = 1 cm/min.

Δh = 0,25 ^. 1 = 0,25 cm

H_kb = ( 55,5 –5,0 ) + 0,25 = 50,75 cm

3.2. Kapilarność czynna.

Oznaczenie kapilarności czynnej przeprowadzono na trzech próbkach gruntu sypkiego o następujących frakcjach:

a) 0,20 – 0,30 [mm]

b) 1,00 – 1,20 [mm]

c) 0,12 – 0,15 [mm]

w sposób przedstawiony w punkcie 2.2.

Tab. nr 2. Wyniki badań kapilarności czynnej.

NR	CZAS t [ min.]	WYSOKOŚĆ PODNOSZENIA KAPILARNEGO [ cm ] a)	WYSOKOŚĆ PODNOSZENIA KAPILARNEGO [ cm ] b)	WYSOKOŚĆ PODNOSZENIA KAPILARNEGO [ cm ] c)	V [cm/min.] a)	V [cm/min.] b)	V [cm/min.] c)
1	1	4,0	1,0	3,5	4,0	1,0	3,5
2	2	5,0	1,0	4,5	2,5	0,5	2,25
3	5	9,5	1,0	9,0	1,9	0,2	1,8
4	10	11,5	1,2	13,0	1,15	0,12	1,3
5	15	12,0	1,2	13,2	0,8	0,08	0,88
6	30	12.5	1.3	13.8	0.42	0.043	0.46
7	60	12.8	1.3	13.8	0.21	0.022	0.23

4.0. Wnioski.

W przeprowadzonym doświadczeniu polegającym na wyznaczeniu kapilarności biernej gruntu uzyskano wynik 50,75 cm dla gruntu sypkiego o uziarnieniu
0,12 – 0,15 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.

W przypadku wyznaczania kapilarności czynnej dla trzech próbek gruntu o różnym uziarnieniu uzyskano następujące rezultaty:

a) 0,20 – 0,30 [mm] h_c = 13,0 cm

b) 1,00 – 1,20 [mm] h_c = 1,50 cm

c) 0,12 – 0,15 [mm] h_c = 14,0 cm

Potwierdzają one zależność wysokości kapilarności czynnej w zależności od wielkości ziaren szkieletu gruntowego. Gdy są one mniejsze, wówczas pory tworzące kanaliki ( rurki kapilarne ) mają mniejszą średnicę, co sprzyja wyższemu podnoszeniu się wody ponad swobodne zwierciadło.

Omawiane zjawiska kapilarności czynnej i biernej mają ważne znaczenie w projektowaniu dróg i fundamentów, ponieważ sprzyjają niebezpieczeństwu tworzenia się wysadzin na drogach w czasie ich zamarzania oraz powodują zwiększenie obciążenia gruntu podczas obniżania się zwierciadła wody gruntowej.

Porównując wyniki badań kapilarności czynnej i biernej dla tej samej frakcji gruntu: 0,12 – 0,15 mm, można zauważyć, że uzyskana wartość kapilarności biernej
( H_kb = 50,75 cm ) jest prawie 3,5 razy większa od wartości kapilarności czynnej

(h_c = 14,0 cm ).