Badania

Anna WOROSZYŃSKA-BURZAK
Andrzej KOWAL
Henryk SOBCZUK
Politechnika Lubelska


BADANIA WYBRANYCH CECH FIZYCZNYCH MATERIAłÓW BUDOWLANYCH WYKONANYCH Z UŻYCIEM GLINY

Glina, mimo wielu zalet, nie była w XX wieku popularnym materiałem budowlanym. Jednak w ostatnich latach zainteresowanie tym materiałem powraca. Autorzy artykułu we współpracy ze Stowarzyszeniem Biobudownictwa na Rzecz Zatrudnienia i Edukacji Prozdrowotnej prowadzą badania mające na celu ocenę przydatności gliny występującej w okolicach Kocka do wznoszenia budynków. Badania dotyczą jej składu mineralnego oraz cech fizycznych materiałów modyfikowanych dodatkami organicznymi oraz spoiwem cementowym. W artykule przedstawiono rezultaty badań własnych przeprowadzonych według metod zalecanych w normach [1, 2, 3, 7] i innych [9].

1. WPROWADZENIE
Najważniejszymi zaletami budynków mieszkalnych wykonanych z wykorzystaniem gliny jako podstawowego materiału budowlanego jest [4, 6,8]:
- korzystny mikroklimat panujący w ich wnętrzu wynikający z: jej wysokiej paroprzepuszczalności i niskiej wilgotności sorpcyjnej (glina reguluje wilgotność powietrza w pomieszczeniach [5]),
- stabilność temperatury we wnętrzu powodowana dużą bezwładnością cieplną,
- izolacyjność cieplna przegród zgodna ze współczesnymi wymaganiami,
- niski koszt wynikający z możliwości wykorzystania lokalnych materiałów (gliny i wypełniaczy),
- dodatkowa możliwość ograniczenia nakładów finansowych przez wkład własnej robocizny, przegrody z gliny na ogół charakteryzuje niskie stężenie pierwiastków promieniotwórczych i substancji szkodliwych, wysoka trwałość (pod warunkiem zabezpieczenia przed wodą gruntową i opadową),
- najniższy (w porównaniu z innymi technologiami) całkowity nakład energii na wzniesienie budynku – zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska [4],
- glina wiąże zanieczyszczenia [5], łatwość utylizacji obiektu i wtórnego wykorzystania materiałów.

Jednak budowanie z wykorzystaniem gliny wiąże się z zagrożeniami [6, 8] wynikającymi głównie z faktów, że:
- glina nie jest znormalizowanym materiałem,
- glina nie jest odporna na wodę.

Z tych powodów, wykorzystywanie gliny jako materiału konstrukcyjnego, czy wykończeniowego musi być poprzedzone kompleksowymi badaniami. We współpracy ze stowarzyszeniem powołanym do budowy tanich domów mieszkalnych i rekreacyjnych w Kocku autorzy artykułu oceniają do jakich celów związanych ze wznoszeniem budynków glina pochodząca z lokalnych złóż może być wykorzystywana.

2. METODY, ZAKRES I WYNIKI BADA?
Badania, których część wyników przedstawiona została w dalszej części artykułu, przeprowadzane były według opisów zawartych w normach branżowych [1, 2, 3] i normach państwowych [7]. Pomiary wilgotnościowe przeprowadzono w sposób analogiczny do metodyki wypracowanej przy badaniach bardziej "konwencjonalnych" materiałów budowlanych [9].

2.1. Glina
Glina, która przeznaczona jest do wzniesienia pilotażowego budynku letniskowego, pozyskana została ze złoża na jesieni 2005 roku. Następnie została złożona w zwałach i poddana zimowaniu. Próbki gliny do badań laboratoryjnych pobrano w marcu 2006 roku.
Termiczna analiza różnicowa przeprowadzona przy użyciu derywatografu wykazała, że jej podstawowymi składnikami mineralnymi są:
bejdelit – 30 %,
kwarc, skalenie, łyszczyk – 62 %,
tlenki i wodorotlenki żelaza – 3 %.
Stwierdzono, że zawartość węglanu wapnia jest śladowa (poni?ej 1 %), co potwierdziły także badania przeprowadzone przy użyciu kwasu solnego [7]. Na rys.1 przedstawiono strukturę gliny widoczną na zdjęciu mikroskopowym (ziarna kwarcu otoczone cząstkami pyłu i iłu).

Glina
Rys.1. Struktura gliny na zdjęciu mikroskopowym

Wałeczkowanie wykazało, że glina (grunt spoisty) jest w stanie zwartym [8]. Spójność pomierzona penetrometrem tłoczkowym [8] wyniosła 5 – 8 kPa, zaś z badań wykonanych przy użyciu ścinarki obrotowej uzyskano spójność na poziomie 10 kPa (po konsolidacji 15 kPa).
Na przygotowanych próbkach gliny o normowej plastyczności zbadano spoistość, skurcz i wytrzymałość na ściskanie [2]. Średnia spoistość gliny pomierzona na sześciu próbkach wyniosła 1759 g/(5cm2). Natomiast średni skurcz pomierzony na takiej samej ilości próbek wyniósł 6,5 %. Ze względu na wielkość skurczu badaną glinę należy uznać za "tłustą", natomiast wielkość spoistości wskazuje, że jest ona "bardzo tłusta".
Wyniki badań wytrzymałościowych przeprowadzonych na próbkach o poczótkowych wymiarach 10 x 10 x 10 cm przedstawiono w tablicy 1.

Tabela1

2.2. Masy gliniane z wypełniaczami
Badania obejmujące pomiary wytrzymałości na ściskanie oraz w miarę możliwości spoistości i skurczu przeprowadzono dla mas glinianych z dodatkami piasku i trocin, piasku i słomy, piasku i pokostu lnianego oraz piasku i białek z jaj. Na rysunku 2 przedstawiono próbki sześcienne o boku 10 cm mas glinianych z wypełniaczami przygotowane do badań wytrzymałościowych oraz normowe [3] próbki służące do pomiaru skurczu.

Glina2
Rys.2. Próbki kostkowe do badań wytrzymałości na ściskanie i beleczki do pomiaru skurczu

Masę glinianą z piaskiem i z trocinami (o uziarnieniu do 4 mm) przygotowano przy zachowaniu proporcji wagowej składników 2:1:1. Natomiast masę glinianą z dodatkami piasku i słomy żytniej (źdłbła o długości do 10 cm) przygotowano w proporcji wagowej składników 3:1:1. W tablicy 2 podano rezultaty badań gęstości objętościowej i wytrzymałości na ściskanie mas glinianych z dodatkami wypełniaczy roślinnych przeprowadzonych po 28 dniach wysychania próbek.

Tabela2

W przypadku zastosowania jako dodatku piasku i pokostu lnianego zastosowano proporcję objętościową składników 4:4:1. Spoistość tej masy wyniosła średnio 296 g/(5cm2), zaś skurcz 2,5 %. Zaś przy przygotowaniu masy glinianej z dodatkiem piasku i białka z jajek kurzych przyjęto objętościowo proporcję składników 3:3:1. W tym przypadku badania wykazały, że średnia spoistość masy wyniosła 493 g/(5cm2), a skurcz 5,0%. W tablicy 4 przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych na tych dwóch masach glinianych.

Tabl,3.Wyniki badań gliny z dodatkiem piasku i pokostu lnianego, oraz z dodatkiem piasku i białka z jajek Tabela3

2.3. Masy cementowo-gliniane
Badania mas składających się z cementu, zawiesiny glinianej (o konsystencji "15" [1]) i piasku przeprowadzono dla dwóch mieszanek, jednej o objętościowych proporcjach składników 1:1,5:8 (nominalnie masa klasy 2) i drugiej o proporcji 1:1:5 (6 – to założona klasa masy). Próbki o numerach 1-3 to sześciany o początkowym wymiarze boku wynoszącym 10 cm, zaś próbki 4-7 to walce o średnicy i wysokości 8 cm. Wyniki badań podano w tablicach 4 i 5. Uśredniony skurcz próbek masy klasy 2 wyniósł 1,5%, a dla próbek z masy klasy6 – 2,5%.

Tabl.4.Wyniki badań gliny z dodatkiem piasku i cementu (klasa masy 2)
Tabela4

Tabl.5.Wyniki badań gliny z dodatkiem piasku i cementu (klasa masy 6)
Tabela5

3. PODSUMOWANIE
Rezultaty badań, które należy uznawać za pilotażowe, upoważniają do kilku stwierdzeń. Glina, jako materiał budowlany, wykazuje szereg zalet, które w sposób ogólny przytoczono na wstępie.
Partie gliny poddane badaniom ze względu na wielkość skurczu należy ocenić jako "glinę tłustą", a jako taką można ją stosować do wykonywania "mas glinianych lekkich". Badanie spoistości wskazuje, że jest to "glina bardzo tłusta". Ta niespójność wyników potwierdza, że glina jest materiałem nie poddającym się normalizacji [5, 6, 8].
Próbki z wysuszonej gliny osiągają wytrzymałość na ściskanie (około 3,4MPa) porównywalną z bloczkami betonu komórkowego. Skurcz osiągający 6,5% powoduje, że ściany z tej gliny należy raczej wznosić z wstępnie wysuszonych bloczków, a nie formować jako monolityczne w deskowaniu. W przypadku mas glinianych wykonanych z dodatkiem piasku i wypełniaczy roślinnych (trocin i słomy), eksperymenty związane z wykorzystaniem trocin należy uznać za bardziej obiecujące. W łatwiejszy sposób, z punktu widzenia trudności z zagęszczeniem materiału, uzyskano próbki o wyższej wytrzymałości na ściskanie i o lepszej izolacyjności cieplnej (sądząc na podstawie gęstości objętościowej).
Dodatek do mas glinianych pokostu lnianego powoduje wzrost wytrzymałości na ściskanie, spowalnia wysychanie, zmniejsza skurcz, zmienia zabarwienie, ale przede wszystkim zwiększa wodoodporność [4].
Zmniejszenie skurczu i zwiększenie spoistości stwarza szersze możliwości wykorzystania mas wykonywanych z jego udziałem.
Dodatek do masy składającej się z gliny, piasku i białek z jaj kurzych podniósł spoistość masy. Jednak oceny wpływu tego dodatku na szczelność i intensywność podciągania kapilarnego wody, ze względu na długotrwałość badań, nie zdołano jeszcze dokonać.

Masa cementowo-gliniana o założonej klasie 2 uzyskała przewidywaną wytrzymałość (przy stosunkowo niewielkim skurczu). Natomiast masa o składzie przewidywanym dla klasy 6 osiągnęła wytrzymałość o 25% za niską, co potwierdza niemożliwość "normalizacji gliny". Użycie do celów budowlanych gliny z każdego złoża musi więc zawsze być poprzedzone "badaniami kompleksowymi" znacznie wykraczającymi poza wyrywkowe sprawdzenie jednej masy glinianej.

4. LITERATURA
1. BN-62/6738-01 Masy cementowo-gliniane z wypełniaczami.
2. BN-62/6738-02 Budownictwo z gliny. Masy gliniane.
3. BN-62/9012-01 Cegła i bloki cementowo-gliniane z wypełniaczami.
4. Kupiec-Hyła D., Hyła M.: Domy z gliny (1–2–3). Murator 4/94, 6/94, 9/94.
5. Kuhbandner S: Budownictwo gliniane. http://www.domyzgliny.prv.pl.
6. Pasieczny J., Kowal A.: Budowanie z gliny. Budowanie z gliny. Twój Poradnik Budowlany 3-4(27)/04.
7. PN-74/B-04452 Grunty budowlane. Badania polowe.
8. Skórski A., Geniusz J., Mazurek ?., Brujenko J., Zakęć F.: Budownictwo wiejskie. Elementy budowli. Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne. W-wa 1961.
9. Sobczuk H., Woroszyńska-Burzak A., Kowal A.: Pomiar wilgotności materiałów budowlanych metodą TDR (Time Domain Reflectometry). VII Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna ENERGODOM 2004. Kraków-Zakopane 2004.