Jak się bada kamień? część 4 - gęstość i porowatość

W poprzednich numerach Kuriera Kamieniarskiego omawiałem właściwości mechaniczne materiałów kamiennych: wytrzymałość na ściskanie, zginanie i odporność na wyrwanie kotwy montażowej. W  tym tekście opiszę sposób określania gęstości i porowatości materiałów zgodnie z PN-EN 1936:2010-05P „Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie gęstości i gęstości objętościowej oraz całkowitej i otwartej porowatości.”.

W normie pojawiają się dwa rodzaje gęstości: objętościowa i zwykła oraz dwa rodzaje porowatości: otwarta i całkowita.
Gęstość objętościowa (ρb) to stosunek masy wysuszonej próbki do jej objętości, czyli brana jest pod uwagę objętość próbki poddanej badaniu wraz z objętością pustych przestrzeni (otwartych i zamkniętych porów). Gęstość (ρr) jest to stosunek masy wysuszonej próbki do objętości części stałej, czyli bez brania pod uwagę objętości pustych przestrzeni.
Porowatość otwarta jest to wyrażony w procentach stosunek objętości otwartych porów (takich, do których może wniknąć nowy płyn) do objętości próbki do badania. Porowatość całkowita jest to wyrażony w procentach stosunek objętości otwartych i zamkniętych porów do badanej objętości.

Gęstość objętościowa i porowatość otwarta

Dla wszystkich wyrobów kamieniarskich badanie to wykonuje się co 2 lata – najczęściej wykorzystując próbki przygotowane do badania wytrzymałości na ściskanie (sześcian o boku 50 mm). Próbki są suszone w temperaturze 70^oC do stałej masy. Następnie, po ostygnięciu w eksykatorze, są ważone (md). Umieszczenie w eksykatorze jest konieczne ze względu na zabezpieczenie próbek przed pochłanianiem wilgoci z powietrza.
Kolejny etap badania polega na wtłoczeniu w pory kamienia wody. Wykonuje się to w naczyniu próżniowym. Najpierw utrzymuje się próbki przez
120 minut w ciśnieniu obniżonym do około 2 kPa (0,2% przeciętnego ciśnienia atmosferycznego) w celu usunięcia powietrza z otwartych porów kamienia. Potem, zachowując próżnię, do naczynia powoli wprowadzana jest zdemineralizowana woda, aż do całkowitego zanurzenia próbek. Po tym przywrócone zostaje ciśnienie atmosferyczne i próbki pozostają pod wodą przez następne 24 godziny.

Po tym czasie następuje ważenie próbek w wodzie (mh) i w powietrzu (ms). Na podstawie pomiarów, wykorzystując prawo Archimedesa,
określa się dokładną objętość próbek.

Objętość próbki w cm³ :

Objętość otwartych porów w cm³:

Gęstość objętościowa kamienia w kg/m³:

Porowatość otwarta w procentach:

Gęstość i porowatość całkowita

Badanie to wykonuje się co 10 lat. Norma zakłada możliwość badania dwoma metodami: metoda A (piknometr) i metoda B (objętościomierz Le Chateliera). Pierwsza metoda jest dokładniejsza, dlatego częściej jest stosowana i ona zostanie opisana poniżej.
Próbki z wykonanego wcześniej badania gęstości objętościowej i porowatości otwartej rozdrobnia się oddzielnie do uzyskania wielkości, która pozwoli na przejście pyłu przez sito o wielkości oczka 0,063 mm. Następnie wysuszy się do stałej masy i oddziela około 10 g sproszkowanego kamienia (m_e).

Do piknometru wlewa się zdejonizowaną wodę do połowy pojemności. Następnie wsypuje się odważony pył kamienny i miesza go z wodą w celu rozproszenia go w cieczy. Piknometr poddaje się próżni (2 kPa) do momentu, aż nie będą powstawały pęcherzyki powietrza. Następnie napełnia się piknometr wodą i pozostawia, aż kamienny pył osiądzie na dnie, a woda nad próbką będzie przezroczysta. Ostrożnie dolewa się wody, zatka piknometr korkiem i osusza z zewnątrz (wyciera) – całość waży i zapisuje wynik jako m₁.

Kolejnym etapem jest opróżnienie i wyczyszczenie piknometru, który zostanie wypełniony zdejonizowaną wodą. Pod zatkaniu korkiem i wytarciu ponownie waży się piknometr i zapisuje wynik jako m . Następnie dokonuje się obliczeń 2 za pomocą poniższych wzorów.

Gęstość wyrażona jest wzorem:

Porowatość całkowita wyrażona jest wzorem:

W ten sposób wyznaczone zostały podstawowe właściwości skał – gęstość i porowatość. Poznanie gęstości materiału ma znaczenie przy pracach konstrukcyjnych. Projektant musi znać ciężar elementu dla zaprojektowania konstrukcji o takiej nośności, aby mogła ona ten element utrzymać. Powtarzając badania danego materiału wyniki tych badań powinny być do siebie podobne. Jeżeli w kolejnych badaniach występują zmiany gęstości objętościowej kamienia naturalnego, to mogą one świadczyć o zmianach w składzie mineralnym dostarczonego do badań surowca skalnego.
Duża porowatość może też mieć wpływ na inne właściwości materiału. Nie zawsze jest to zależność bezpośrednia, ale można się spodziewać wpływu na nasiąkliwość, mrozoodporność i odporność na szok termiczny. Czyli te parametry, które świadczą o trwałość materiału w zmiennych warunkach użytkowania.

#michalfirlej