UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO Katarina Richter Mehanski preizkusi nežgane zemljine z dodatki Seminarsko delo diplomskega izpita Maribor, september 2010 MEHANSKI PREIZKUSI NEŽGANE ZEMLJINE Z DODATKI – Katarina Richter Avtor: Katarina Richter Urednica: Nevenka Richter Peče Založila: Založba Obzorja d.d. Za založbo: Nevenka Richter Peče Oblikovanje: Bojan Žigart Leto izida: Prva izdelava, 2011 Copyright©2011 Založba Obzorja d. d. E-izdaja na voljo na: http://itunes.apple.com/si/book/isbn9789612303860 CIP - Kataložni zapis o publikaciji Univerzitetna knjižnica Maribor 624.131.3 RICHTER, Katarina Mehanski preizkusi nežgane zemljine z dodatki [Elektronski vir] / Katarina Richter. - 1. izdelava. - Maribor : Obzorja, 2011 Način dostopa (URL): http://itunes.apple.com/si/book/isbn9789612303860 ISBN 978-961-230-386-0 COBISS.SI-ID 66706177 Richter, K., Ulica Klinčevih 8, Kamnica. e-mail: katarinarichter@gmail.com tel.: +386 41 656599 © Katarina Richter, 2010 Mentor: doc. dr. Lucija Hanžič Somentor: viš. pred. mag. Andrej Ivanič Zahvala Za pomoč pri izdelavi diplomskega dela se zahvaljujem strokovnemu osebju Laboratorija za raziskave materialov in konstrukcij na Fakulteti za gradbeništvo Univerze v Mariboru, ki mi je omogočilo izvedbo vseh preizkusov opisanih v nadaljevanju. Za strokovno svetovanje se zahvaljujem mentorici doc. dr. Luciji Hanžič ter somentorju viš. pred. mag. Andreju Ivaniču. Kazalo slik Slika 1.1. Tradicionalna slovenska stavba iz zbite zemljine. Na zidovih so vidne luknje zaradi opaževanja. Slika 1.2. Opažni sistem (a) dviganje opaža za izvedbo posameznih slojev in (b) zakrivljeni opaži (Minke, 2006). Slika 1.3. Spreminjanje temperature v prostoru za dva objekta v Kairu (a) 50 cm debeli zidovi iz zbite zemljine in (b) 10 cm debeli zidovi iz betona (Minke, 2006). Slika 2.1. Izdelava vzorcev (a) tehtanje komponent, (b) dodajanje vode homogenizirani suhi mešanici in (c) gnetenje. Slika 2.2. Izdelava vzorcev (a) polnjenje kalupa, (b) nabijanje in (c) sušenje vzorcev. Slika 2.3. Plesen na vzorcih z dodatkom (a) sirotke 4 dni po izdelavi in (b) melase 6 dni po izdelavi. Slika 2.4. Vlaknasti dodatki (a) časopisni papir narezan na trakove, (b) namočeni trakovi pred mešanjem z zemljino in (c) iglice pred mešanjem z zemljino. Slika 2.5. (a) Univerzalni trgalni stroj Zwick Roell Z010 in (b) uporabniški vmesnik testXpert s prikazom rezultatov meritev. Slika 2.6. Kompenzatorja za (a) upogibni preizkus in (b) tlačni preizkus. Slika 3.1. Vzorci zemljine z dodatki po 21 dneh sušenja od leve proti desni: sirotka, melasa, apno, mavec, časopisni papir in iglice. Slika 3.2. Rezultati tlačnega preizkusa Zemljine 1 z dodatki. Sestava Zemljine 1 je 40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek. Slika 3.3. Rezultati tlačnega preizkusa Zemljine 2 z dodatki. Sestava Zemljine 2 je 20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek. Slika 3.4. Rezultati upogibnega preizkusa Zemljine 1 z dodatki. Sestava Zemljine 1 je 40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek. Slika 3.5. Rezultati upogibnega preizkusa Zemljine 2 z dodatki. Sestava Zemljine 2 je 20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek. Kazalo tabel Tabela 1.1. Gostota, specifična toplotna kapaciteta in toplotna prevodnost gradbenih materialov (Baggs in Mortensen, 2006). Tabela 2.1. Masni delež dodatkov glede na suhe komponente vzorcev. Tabela 3.1. Gostota, sprememba dimenzij in sprememba volumna vzorcev zemljine po 21 dneh sušenja. Tabela 3.2. Vrednosti tlačne trdnosti (σ) določene na šestih vzorcih in eksperimentalni standardni odmik (s) za Zemljino 1 (40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek) in Zemljino 2 (20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek) glede na dodatek. Tabela 3.3. Upogibna trdnost (σ) določena na treh vzorcih in eksperimentalni standardni odmik (s) za Zemljino 1 (40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek) in Zemljino 2 (20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek) glede na dodatek. Povzetek Začetki gradnje z nežgano zemljino sovpadajo z začetki gradnje bivališč pred tisočletji, vendar je nežgana zemljina tudi danes vse bolj priljubjena oblika ekološko ozaveščene gradnje. V diplomskem delu sem analizirala, kako različni dodatki k nežgani zemljini vplivajo na tlačno in upogibno trdnost materiala. Dvema različnima mešanicama zemljine sem skupno dodala šest dodatkov v izbranih količinah, ki bi lahko bili primerni za uporabo v zahodni kulturi. Izbrala sem sirotko in melaso kot organska dodatka, apno in mavec kot mineralna dodatka ter časopisni papir in posušene drevesne iglice kot vlakna primešana k zemljini. 21 dni po oblikovanju vzorcev sem na trgalni napravi opravila tlačne in upogibne preizkuse, izmerjene trdnosti vzorcev z dodatki pa sem primerjala z referenčnim vzorcem. Vsi uporabljeni dodatki so izboljšali upogibno trdnost materiala, najbolj pa se je trdnost povečala v primeru dodanega mavca (~150 %) in sirotke (~120 %). Pri ostalih dodatkih so se odstopanja nahajala v območju do 30 %. Prav tako sta mavec in sirotka izboljšala tudi tlačno trdnost in sicer za ~130 oziroma ~50 % glede na referenčni vzorec. Ob ostalih dodatkih je tlačna trdnost ostala nespremenjena ali pa se je znižala do 40 %. Dodatki so pomembno vplivali tudi na gostoto vzorcev in spremembe v krčenju. Ključne besede: nežgana zemljina, trdnost, dodatki. Summary Earth has been one of the most widely used construction materials since man started to build shelters thousands of years ago. Lately, rammed earth and sun-dried mud bricks have become popular due to energy and cost-efficiency this material has to offer. The BSc thesis describes how different stabilizers, added to the soil, can improve compressive and flexural strength of earth walls. Six stabilizers, which could be used within western culture, were added to two mixtures having different component ratio. The chosen stabilizers were either organic (whey and molasses), mineral (lime and plaster) or in the form of fibres (newspaper shreds and coniferous needles). After being dried for 21 days, the samples were tested to obtain compressive and flexural strengths. The results, compared to the referential sample, shown that all stabilizers improved flexural strength of earth. The biggest change in strength was observed when the mixture was stabilized by plaster (~150 %) or whey (~120 %). Other stabilizers improved flexural characteristics of soil up to 30 %. Furthermore, plaster and whey improved compressive strength for ~130 % and ~50 % respectively whereas other stabilizers caused the strength to decrease by up to 40 %. In addition, stabilizers also significantly affected the density and shrinkage of the samples. Key words: rammed earth, strength, stabilizers. 1. Uvod Vse odkar je človek začel graditi bivališča in mesta pred približno 10 000 leti, je zemljina eden izmed najbolj uporabljanih gradbenih materialov. Uporaba nežgane zemljine je bila prisotna na vseh kontinentih in velja prav zaradi razširjenosti uporabe za najpomembnejše primarno gradivo. Zgodovina uporabe zemljine kot gradbenega materiala ni dobro dokumentirana, saj je veljala za manjvreden in manj obstojen material v primerjavi z lesom ali kamnom. Uporaba se je pričela na puščavnatih področjih, kjer drevesa niso predstavljala možnega gradbenega materiala in na območjih z veliko dežja in neuporabljenega blata. Najstarejša arheološka najdišča trajnih bivališč narejenih iz nežgane zemljine in iz nje narejenih zidakov se nahajajo na območjih Kitajske in Indije, kjer je tudi najstarejše nahajališče Jeriho. Bivališča so po ocenah nastala približno 8 300 let p.n.š., hiše pa so bile narejene iz nežganih zidakov in so merile v premeru približno pet metrov. Zidovi so bili narejeni iz ročno izdelanih zidakov ovalnih oblik, z nepravilnostmi na zgornji površini, ki so omogočale nanos veziva iz zemljine. Veščost s katero so bili ti zidaki izdelani nakazuje na že utečeno uporabo zemljine za gradnjo. Gradnja se je nato razvijala skozi stoletja na različnih koncih sveta. Tradicionalne izdelave iz nežgane zemljine so se razlikovale med posameznimi področji in so nastale kot posledica praktičnih in učinkovitih prilagoditev lokalni kulturi, podnebju in prisotnim materialnim virom. Na začetku uporabe so bili nežgani zidaki in zidovi oblikovani izključno z rokami. Postopek je bil kmalu izpopolnjen z izdelavo lesenih kalupov, ki so omogočali izdelavo zidakov enakih dimenzij. Pred 4 000 leti so na tak način v Egiptu gradili 80 m visoke piramide s stranicami dolgimi več kot 100 m. Posamezne enote so bile izdelane iz nežganih zidakov obdanih s kamnom. V 7. stoletju p.n.š. je bil dokončan Babilonski stolp, ki predstavlja prvo stolpnico v zgodovini človeštva. Narejen je iz nežganih zidakov in obzidan z žganimi zidaki. V Evropi so najstarejša arheološka najdišča bivališč iz zemljin stara približno 6 600 let. Velik razmah je takšna gradnja doživela v antični Grčiji, ko so iz nežgane zemljine gradili večino večnadstropnih hiš. Vplivi so se nato v 3. stoletju prenesli na antični Rim, kjer so nežgane zidake (lidio) in zemljino uporabljali predvsem za gradnjo domov nižjih slojev in na podeželju, medtem ko sta v mestih prevladovala marmor in tuf. S širitvijo imperija se je širila tudi uporaba nežgane zemljine po Evropi vse dokler ni njene uporabe v srednjem veku izpodrinila uporaba lesa in opeke. Zemlja se je kot gradbeni material ponovno začela uporabljati v 18. in 19. stoletju in največ stavb je bilo zgrajenih po II. svetovni vojni, v obdobju ko ni bilo veliko industrijskih materialov in je bilo potrebno čim hitreje zgraditi veliko število stavb. Tudi danes več kot tretjina svetovne populacije živi v domovih zgrajenih iz različnih vrst zemljine, v državah v razvoju pa živi v takšnih bivališčih več kot polovica prebivalstva (Minke, 2006). Gradnja z zbito zemljino je v angleščini znana kot rammed earth, v nemščini Stamphlehmbau, v francoščini pa terre de pisé. Za gradnjo z zidaki iz zemljine, sušenimi s pomočjo sonca ali zraka se trenutno uporablja veliko različnih izrazov. Medtem ko je v nekaterih jezikih gradnja opisana kot gradnja z nežganimi zidaki (ang. unfired bricks), je drugje prisoten predvsem izraz t.i. adobe gradnje, ki izhaja iz uporabe teh zidakov v Egiptu (beseda thobe se nanaša na blato). V angleščini se nežgani zidaki imenujejo adobe, clay lump (glinena kepa) ali clay-earth (glinena zemljina). V nemščini se uporablja izraz Lehmziegel (zidak iz zemljine), v francoščini pa brique crue (surovi zidaki) (Lynne in Adams, 2005). Gradnja z zbito zemljino se je ob uporabi prefabriciranih opažev in pnevmatičnih nabijal, ki so bistveno zmanjšali potrebe po delovni sili, razširila tudi v industrijskih državah. Tradicionalni opaži za zbijanje zemljine so narejeni iz dveh stranic povezanih z distančniki. V to ogrodje je bila v 15 cm slojih nasuta in zbita lokalno pridobljena zemljina. Distančniki pustijo luknje v zidovih (Slika 1.1), ki jih je kasneje potrebno zapolniti z zemljino. Slika 1.1. Tradicionalna slovenska stavba iz zbite zemljine. Na zidovih so vidne luknje zaradi opaževanja. Danes je razvita tudi uporaba opažev, ki so ojačani na zunanjih straneh, tako da distančniki niso več potrebni. S posebno oblikovanimi opaži je mogoče oblikovati zidove poljubno zakrivljenih oblik. Stranice opažev morajo biti debele vsaj 19 mm, pri tem pa morajo biti vertikalne podpore v razmaku 75 cm, da ne pride do ukrivljanja opažev pri nabijanju. V primeru debelejših stranic se lahko ustrezno povečajo tudi razdalje med vertikalnimi elementi (Minke, 2006). Zbijanje poteka po slojih, po dokončanju vsakega sloja se opaž prestavi na višji nivo, zbijanje pa se nadaljuje. Potrebno je paziti, da že vgrajena zemljina ni pretirano izsušena, saj lahko pride do nastajanja horizontalnih razpok med sloji. Le-te je možno preprečiti z dodatnim tankim slojem apnenega veziva med posameznimi plastmi zemljine. Razpoke se lahko preprečijo tudi z visokimi opažnimi sistemi, kjer se v enem zbijanju izvede segment zidu v širini do 2,5 m in celotni višini nadstropja. Slika 1.2 prikazuje postopek opaževanja in opažene zakrivljene zidove (Minke, 2006). (a) (b) Slika 1.2. Opažni sistem (a) dviganje opaža za izvedbo posameznih slojev in (b) zakrivljeni opaži (Minke, 2006). Prednosti gradnje z nežgano zemljino izhajajo iz naravnih lastnosti zemljine. Le-ta predstavlja okolju prijazen material, ki je lokalno dostopen skoraj v vseh državah, kar pomembno zmanjša stroške transporta in gradnje. Velikokrat se lahko za gradnjo uporabi zemljina, ki je bila izkopana za temelje in kateri se lahko po potrebi primešata glina ali pesek. Za gradnjo so energijske potrebe minimalne (približno 1 % energijskih potreb ob gradnji z betonom ali žgano opeko), saj so zidovi sušeni na naraven način (Minke, 2006). Uporaba zemljine ne onesnažuje tal in okolja in po končani življenjski dobi objekta se lahko ponovno uporabi, brez da bi se pri tem spremenile njene karakteristike. Nežgano zemljino uvrščamo med materiale z veliko termično maso, kar ponazarja sposobnost materiala, da shranjuje toploto. Odvisna je od gostote materiala, njegove specifične toplotne kapacitete in toplotne prevodnosti. Primerjava teh karakteristik za izbrane gradbene materiale povzeto po avtorjih Baggs in Mortensen (2006) je prikazana v Tabeli 1.1. Za materiale z veliko termično maso je značilno, da imajo veliko specifično toplotno kapaciteto, zato 1 kg materiala potrebno dovesti veliko energije, da se segreje za 1 K. Če ima material tudi veliko gostoto, tedaj ima enota volumna zidu veliko maso v kateri se posledično akumulira velika količina energije. Nizka toplotna prevodnost preprečuje prenos toplote iz zunanjega dela zidu v notranjost objekta. Tako v notranjosti objekta na pasivni način reguliramo temperaturo (New4Old, 2009). Zaradi nizke nosilnosti nežgane zbite zemljine so zidovi debelejši od lesenih, betonskih ali opečnih in merijo od 0,5 m do 1 m. Tabela 1.1. Gostota, specifična toplotna kapaciteta in toplotna prevodnost gradbenih materialov (Baggs in Mortensen, 2006). Material Gostota (kg m-3) Specifična toplotna kapaciteta (kJ kg-1 K-1) Toplotna prevodnost (W m-1 K-1) Les 400 - 750 1,70 – 2,70 0,04 – 0,40 Beton 2240 0,92 1,70 Jeklo 7850 0,45 12,00 – 45,00 Stiropor (penjeni) 12 - 40 1,30 0,030 – 0,04 Opeka 1700 0,92 1,30 Kamen 2000 0,90 1,70 Adobe zidaki 1550 0,84 1,50 Zbita zemljina 2000 0,84 1,50 Slika 1.3 prikazuje spremembo temperature v notranjih prostorih dveh stanovanjskih hiš enake površine v Kairu, kjer v poletnih dneh prihaja do velikih nihanj med dnevno in nočno temperaturo (Minke, 2006). V prvem primeru, Slika 1.3 (a), ima stavba 50 cm debele zidove iz zbite zemljine, v drugem primeru, Slika 1.3 (b), pa zidove iz 10 cm debelih betonskih elementov. Iz primerjave diagramov temperature v odvisnosti od časa je možno razbrati, da je temperaturna razlika v prvi hiši v obdobju 24 ur znašala 4 °C, v drugi pa kar 16 °C. Ob uporabi zidov iz zbite zemljine so se temperature skozi celotno obdobje gibale v temperaturnem območju ugodnem za bivanje (črtkane črte za sliki). Ustrezna vlažnost zraka v notranjih bivalnih prostorih je bistvenega pomena za zagotavljanje primernih življenjskih pogojev. Ravnotežna vrednost vlage v zemljini je odvisna od temperature in vlažnosti okolice. Zemljina na pasiven način regulira vlažnost prostorov v objektu in tudi ob trajni izpostavljenosti visokemu odstotku vlage v zraku ne izgubi nosilnosti. Posledično je zemljina tudi odlična zaščita lesenih in drugih naravnih materialov, saj v neposrednem stiku z njimi veže vlago in na ta način preprečuje njihovo propadanje. Nežgana zemljina prav tako vsrkava onesnažen zrak, hkrati pa zaradi poroznosti omogoča ugodno prezračevanje. (a) (b) Slika 1.3. Spreminjanje temperature v prostoru za dva objekta v Kairu (a) 50 cm debeli zidovi iz zbite zemljine in (b) 10 cm debeli zidovi iz betona (Minke, 2006). Uporaba zemljine je priljubljena tudi iz arhitekturnega vidika, saj omogoča enostavno izdelavo obokov in ukrivljenih zidov ter sočasno deluje kot uporabniku udoben in prijazen material. Gradnja ne zahteva dragih pripomočkov in naprav, temelji na človeški delovni sili in je priljubljena oblika gradnje v lastni režiji. Pomanjkljivosti gradnje izvirajo predvsem iz uporabe popolnoma tradicionalnih metod gradnje. Od načina gradnje je tako tudi odvisna trdnost zidov. Zaradi debeline sten se povečajo stroški za temelje. Lastnosti zemeljske mešanice so odvisne od lokacije na kateri je izkopana in so precej različne, zato se lahko najbolj primerno razmerje posameznih komponent zemljine razlikuje za vsako gradnjo posebej. Posledično ni mogoče izbrati najbolj primerne standardne mešanice. Vezljivost zemljine se doseže v procesu oblikovanja z dodajanjem vode. Vendar pa s procesom izhlapevanja vode nastajajo razpoke v zemljini, ki so posledica krčenja. Razpoke se lahko bistveno zmanjšajo z zmanjšanjem vsebnosti gline in vode oziroma z različnimi dodatki. 1.1. Opredelitev problema Vendar najpomembnejši problem predstavlja obnašanje zemljine ob stiku z vodo. Zemljina je neodporna na dež in zmrzal zato je zidove potrebno impregnirati ali izboljšati njihove karakteristike z dodatki. Zidovi so lahko zaščiteni z nadstreški in uporabo primernih zaščitnih oblog. Na ta način so lahko odporni tako na zunanje vplive (npr. padavine, vlažnost tal, podzemna voda) kot tudi na notranje (npr. vodovod, odpadne vode). Karakteristike nežgane zemljine je mogoče izboljšati z različnimi stabilizatorji, ki se dodajajo k mešanici zemljine. Le-ti zmanjšujejo zmožnost kapilarne absorbcije vlage in povečajo trdoto, s tem pa preprečujejo erozijo izpostavljenih delov. Dodatki so lahko zelo različni, zato se lastnosti zemljine ob njihovi prisotnosti preizkušajo v laboratorijih za vsako mešanico posebej. Vendar lahko stabilizatorji izboljšajo le določeno lastnost materiala in hkrati negativno vplivajo na druge karakteristike. Posledično se v laboratorijih določa optimalna mešanica komponent, ki omogoča najboljše karakteristike zemljine ob uporabi čim bolj ekoloških metod in čim manjših stroškov. Trenutno se za izboljšanje lastnosti nežgane zemljine uporablja več kot sto različnih dodatkov, bodisi kot primesi ali kot premazi, ki ščitijo zunanje površine. Različni dodatki so bili uporabljani že vse od začetkov gradnje z zemljino, vendar so se raziskave nežgane zemljine v laboratorijih začele šele po letu 1920. Dodatki so v preteklosti temeljili na naravnih in lokalno dostopnih materialih, njihov izbor pa je temeljil izključno na podlagi empiričnih izkušenj. V Babilonu je bila zelo razširjena uporaba bitumna, ki tako velja za enega najstarejših dodatkov. Večina dodatkov na drugih področjih je temeljila na živalskih in mineralnih produktih. Dodatki živalskega izvora, ki so se uporabljali skozi zgodovino so bili kri, urin, živalski iztrebki, kazein (beljakovina v mleku) in klej. Največkrat se je za izboljšanje vezivnih lastnosti uporabljala volova kri. Pogosto so se za površinsko zaščito uporabili sirotka, urin in živalski iztrebki. Slednji so še danes pogosto prisotni v gradnji, predvsem v Indiji. Tradicionalne mešanice nežgane zemljine so pogosto vsebovale tudi mineralne proizvode, kot na primer apno ob sočasni prisotnosti iztrebkov ali sirotke. Znana je tudi uporaba rastlinskih sokov pridobljenih iz agave, bananovcev, kavčukovcev ali euforbije, ki pa so se dodajali sočasno z apnom. Najbolj znane in uporabne metode za izboljšanje lastnosti zemljine so danes stabilizacija s stiskanjem ali pa z dodatki različnih vlaken, cementa, apna ter bitumna. Številni dodatki se lahko izkažejo za neučinkovite zaradi tega, ker se z njimi ne dosežejo bistvene izboljšave ali ker njihova uporaba ni smotrna s finančnega ali ekološkega vidika. Posledično je potrebno dodatke podrobno preučiti in preizkusiti, saj so izboljšave odvisne tudi od lastnosti mešanice zemljine. Za namene diplomske naloge sem se tako odločila za preiskavo šestih dodatkov: sirotke, melase, apna, mavca, časopisnih vlaken ter smrekovih in macesnovih iglic. Sirotka je stranski produkt, ki nastane v mlečni industriji ob predelavi mleka v sir. Ob predelavi ostane glede na količino uporabljenega mleka več kot 60 % sirotke bogate z beljakovinami. Ob visokokakovostnih beljakovinah je sirotka bogata še z rudninami in vitamini, medtem ko vsebuje malo maščob. Danes se uporablja kot krma za živali, dodatek k jedem, prehransko dopolnilo ali samostojni napitek. Kljub temu se še vedno večina sirotke v mlekarnah zavrže, v Sloveniji na leto najmanj 150 000 ton. Sirotka je bila z izjemo urina najbolj uporabljan naravni dodatek k nežgani zemljini skozi zgodovino. Z njo se je povečala vezna sila med posameznimi komponentami zemljine (Minke, 2006). Trdnost zemljine se je prav tako pogosto izboljševala z mešanico sirotke in apna. Kljub dejstvu, da je sirotka bila zelo pogosto uporabljana in jo navajajo številni viri kot dodatek, ki pomembno izboljša lastnosti nežgane zemljine, pa izmerjenih vrednosti tlačne in upogibne trdnosti ni moč zaslediti. Kot trdi Minke (2006) so preizkusi pokazali, da je sirotka kot dodatek bolj učinkovita, kadar je dodana peščenim zemljinam. Melasa je stranski produkt v proizvodnji sladkorja in se pridobiva s stiskanjem sladkornega trsa. Viskozna, rjava snov se lahko uporablja kot sladilo in je naprodaj v živilskih trgovinah. Bogata je z mineralnimi snovmi, predvsem s kalijem, kalcijem, železom in magnezijem. Houben in Hubert (1989) melaso navajata kot dodatek, ki izboljša njeno stabilnost in tlačno trdnost ter zmanjša kapilarno absorpcijo. Nadalje, Houben in Hubert (1989) zemljino z dodatkom melase primerjata z naravnimi asfalti in sintetičnimi vlakni, ter navajata kot primerno količino dodane melase 5 % celotne mase zemljine, predvsem v primeru peščenih zemljin. Učinek dodatka se izboljša, kadar je mešanici dodano še apno. Slednja sestava je primerna predvsem za zemljine bogate z glino. Achenza in Fenu (2006) sta izvajala teste na zemljinah, kjer so bili uporabljeni dodatki podobnega izvora kot melasa. Tako sta primešala v zemljino ostanke sladkorne repe in paradižnika iz prehrambene industrije v količini 10 % mase zemljine, kar je pomembno izboljšalo tlačno trdnost zemljine. Apno se pridobiva z žganjem apnenca, pri čemer se sprosti ogljikov dioksid in nastane žgano apno (CaO). Z dodajanjem vode žganemu nastane hidratirano apno (Ca(OH)2). Apno se je kot dodatek k zemljini začelo uporabljati po letu 1920 in je dandanes med najbolj uporabljanimi dodatki (Keefe, 2005). Pogosto se uporablja hkrati z drugimi naravnimi dodatki, saj je zaradi sinergičnega učinka izboljšanje lastnosti bolj učinkovito. Houben in Hubert (1989) navajata apno kot najbolj primerno za stabilizacijo zemljine bogate s silikati, medtem ko je težje stabilizirati zemljine z organskimi primesmi. Apno izboljša upogibne in tlačne karakteristike zemljine, prav tako pa že 1 do 2 % apna zmanjšata krčenje zemljine ob sušenju iz 10 na 1 % (Houben in Hubert, 1989). Pomembno se izboljša tudi odpornost zidov iz zemljine ob neposrednem stiku z vodo ali vlago. Najprimernejši odstotek apna glede na celotno maso zemljine se giblje med 6 in 12 % in se povečuje z vsebnostjo vode v zemljini. Apno v količinah manjših od 5 % ni zaželeno, saj se z njim doseže nasprotni učinek, torej pride do znižanja tlačnih vrednosti (Minke, 2006). Utrjevanje zemljine zaradi reakcije med apnom in ogljikovim dioksidom iz zraka poteka več mesecev po vgrajevanju, zato trdnost zemljine v tem času narašča. Mavec (CaSO4 ∙ 0,5H2O) je primeren dodatek za izboljševanje karakteristik nekoherentnih peščenih zemljin. Pri tem dodana količina ne sme presegati 15 % celotne mase vzorcev (Houben in Hubert, 1989). V primeru glinenih zemljin se lahko uporabi mešanica mavca in apna v enakem razmerju. Kadar se mavec dodaja zemljini namenjeni za adobe gradnjo je priporočljiva vrednost dodanega mavca med 5 in 10 % celotne mase zemljine. Nadalje, sem kot dodatek uporabila časopisni papir. Njegove uporabe v zemljini v literaturi nisem zasledila, zato sklepam, da njegovi vplivi na lastnosti zemljine še niso dobro raziskani. Vendar Hubert in Houben (1989), Minke (2006) ter McHenry (1989) navajajo druge produkte papirne industrije, ki so bili testirani kot dodatki in so se izkazali za ugodne, med njimi je največkrat omenjan lignin. Na podlagi ogledov hiš iz zbite zemljine v okolici Maribora sem ugotovila, da so v večini le-teh kot dodatek k zemljini uporabljene smrekove veje. Prav tako so se skozi zgodovino pogosto k zemljini dodajala rastlinska olja, pridobljena med drugim tudi iz iglavcev, zato sem kot zadnji dodatek uporabila macesnove in smrekove iglice. V literaturi specifičnih poizkusov z uporabo le-teh nisem zasledila. Iz zgoraj omenjenega izhaja, da se pomisleki o uporabi nežgane zemljine v gradnji porajajo predvsem zaradi dvomov o nosilnosti zidov. Karakteristike lahko izboljšamo z dodatki, vendar pa njihova uporaba še ni podrobno raziskana. Problem naloge bo zato raziskati, kako vplivajo različni dodatki na tlačno in upogibno trdnost nežgane zemljine. 1.2. Namen, cilji in teza Namen diplomskega dela je določiti vrednosti tlačne in upogibne trdnosti nežgane zemljine ob prisotnosti izbranih dodatkov, opredeliti ali in v kakšnem obsegu posamezni dodatki izboljšajo njene lastnosti. Cilji diplomskega dela so: •izdelati vzorce z različno sestavo, •izmeriti spremembe v krčenju in gostoti zaradi dodatkov, •izmeriti upogibno in tlačno trdnost, •analizirati rezultate, •primerjati rezultate z izhodiščnimi predpostavkami, Teza diplomskega dela je, da bodo dodatki izboljšali trdnost zemljine v naslednjem zaporedju: apno, mavec, sirotka, melasa, smrekove in macesnove iglice, papirna kaša. 1.3. Predpostavke in omejitve Preizkušanci so bile prizme dimenzij 4 cm × 4 cm × 16 cm, za katere predpostavljam, da so dovolj velike in torej vzorci zajemajo vse nehomogenosti materiala. Izbira dimenzij vzorcev je bila ključnega pomena predvsem zaradi gredic z dodatki vlaken. Pri tem sem predpostavila, da dolžina uporabljenih vlaken v nobenem primeru ni presegala debeline vzorca, torej 4 cm. Vse dodatke sem primešala v odstotku, za katerega sem na osnovi zbrane literature ocenila, da bo najbolj pripomogel k izboljšanju mehanskih karakteristik zemljine. Preizkuse trdnosti sem izvedla 21 dni po oblikovanju vzorcev, saj sem predpostavila, da se je učinek dodatkov že približal končni vrednosti. Diplomsko delo je omejeno na testiranje zemljine s šestimi različnimi dodatki, katerih uporaba bi lahko bila primerna v zahodni kulturi. Dodatki so omejeni na eno dozo glede na maso gredice. Dodatke sem preizkusila na dveh vrstah zemljine, ki sta se razlikovali po razmerjih osnovnih komponent. V laboratoriju so bili izvedeni upogibni preizkusi in preizkusi trdnosti, medtem ko se preizkusi povezani z erozijo in kapilarno absorpcijo niso izvajali. 1.4. Kompozicija dela V uvodnem delu diplomskega dela je predstavljen oris uporabe nežgane zemljine skozi zgodovino graditeljstva in različni načini oblikovanja zidov. Opisane so lastnosti zemljine in posledično prednosti ter slabosti uporabe tega materiala v gradbene namene. V nadaljevanju uvodnega dela so navedeni različni dodatki, ki so bili bodisi uporabljani skozi zgodovino graditeljstva, bodisi so v uporabi še danes. Podrobno so analizirani dodatki, ki so bili uporabljeni v eksperimentalnem delu. Poglavje zaključujejo namen, cilji in teza diplomskega dela ter predpostavke in omejitve. V drugem poglavju so predstavljene posamezne komponente preizkušanih mešanic zemljine ter celoten postopek izdelave laboratorijskih preizkušancev. Opisana so opažanja zbrana ob oblikovanju vzorcev, ob koncu poglavja pa so predstavljene še naprave in eksperimentalne metode s katerimi sem v laboratoriju testirala mehanske lastnosti vzorcev. V tretjem poglavju so obliki tabel in grafov analizirani rezultati zbrani iz preizkusov. Rezultati zajemajo spremembo v masi, gostoti in volumnu vzorcev zaradi dodatkov, tlačne in upogibne trdnosti posameznih vzorcev ter F-δ diagrame za vse preizkušane mešanice zemljine. V zaključnem delu so povzete glavne ugotovitve, rezultati pa so primerjani z izhodiščnimi predpostavkami. Diplomsko delo zajema priloge v katerih so tabelirane vse meritve, rezultati in podrobni grafi preizkusov. 2. Eksperiment Dodatke k zemljini sem izbrala glede na evidentirane tradicionalne dodatke v zgodovini gradnje z nežgano zemljino, najbolj pogoste sodobne dodatke in ostale že testirane dodatke s podobnimi karakteristikami. Pri tem sem veliko pozornosti posvetila ekološki upravičenosti uporabe dodatkov. Vsi izbrani dodatki tako omogočajo razgradnjo in ponovno uporabo po preteku življenjske dobe objekta. Izbrane dodatke lahko razdelimo v tri skupine glede na njihove lastnosti. Tako sta dva dodatka organski substanci rastlinskega oziroma živalskega izvora (sirotka in melasa), dva mineralni vezivi proizvedeni z nizkim vložkom energije in v reverzibilnem procesu (apno in mavec) ter dva veziva z vlakni (časopisni papir in iglice). 2.1. Priprava vzorcev Dodatke sem testirala z dvema različnima mešanicama gline, melja in peska. K vsaki zemljini sem primešala šest različnih dodatkov, en vzorec pa je bil kot referenčni vzorec izdelan brez dodatkov. Tako je bilo skupno pripravljenih 14 različnih vzorcev in sicer za vsak vzorec 3 gredice. Uporabljeni mešanici zemljine (Zemljina 1 in Zemljina 2) sta bili izbrani na podlagi že izvedenih tlačnih in upogibnih preizkusov zemljin (Gungl, 2010) in sicer: •Zemljina 1: glina 40 % - melj 30 % - pesek 30 % in •Zemljina 2: glina 20 % - melj 40 % - pesek 40 %. Kot navaja Gungl (2010) se je Zemljina 1 izkazala za zmes z najvišjo tlačno trdnostjo, medtem ko je Zemljina 2 izkazovala povprečne vrednosti med devetimi testiranimi zemljinami. Organska dodatka (sirotka in melasa) sta bila v tekočem stanju, mineralna dodatka (apno in mavec) pa v praškastem. Od vlaknastih dodatkov je bil časopisni papir v obliki v vodi namočenih trakov, medtem ko so bile macesnove in smrekove iglice posušene in v sipkem stanju. Masni delež dodatkov glede na suhe komponente prikazuje Tabela 2.1, količine komponent za vzorce pa so podrobno prikazane v Prilogi 1. Tabela 2.1. Masni delež dodatkov glede na suhe komponente vzorcev. Dodatek Masni delež dodatka (%) Organski dodatki Sirotka 14 oz. 10* Melasa 5 Mineralni dodatki Apno 6 Mavec 6 Vlaknasti dodatki Časopis 2 Iglice 5 *sirotka je v celoti nadomestila vodo. Vrednost je odvisna od sestave zemljine in posledično konsistence primerne za vgrajevanje. Postopek izdelave vzorcev je bil enak ne glede na dodatke in zemljino. Za komponento zemljine sem uporabila kaolinitno glino proizvajalca WBB Fuchs Keramische Massen, ki je bila v praškastem stanju. Namenjena je proizvodnji finih keramičnih izdelkov in je zelo svetle, skoraj bele barve. Glini sem dodala pesek in melj kremenčevega izvora proizvajalca KEMA Puconci. Uporabljen melj je imel zrnavost 0-1 mm, medtem ko je bil pesek zrnavosti 0-4 mm. Tako glina kot tudi pesek in melj so komponente svetle barve in posledično so bili tudi vzorci svetle barve. To je omogočilo, da je bil vpliv dodatkov na spremembo barve gredic lažje določljiv kot v primeru uporabe zemljine neposredno iz okolice gradbišča. Zmes praškastih komponent in dodatka sem homogenizirala z ročnim mešanjem. Postopek tehtanja in gnetenja komponent prikazuje Slika 2.1. (a) (b) (c) Slika 2.1. Izdelava vzorcev (a) tehtanje komponent, (b) dodajanje vode homogenizirani suhi mešanici in (c) gnetenje. Za izdelavo vzorcev sem uporabila standardne kalupe za mehanske preiskave cementa, ki sem jih namazala z opažnim oljem, kar je kasneje omogočilo lažje razopaževanje vzorcev. Posamezen kalup sem postopoma polnila z zemljino, ki sem jo sproti zbijala z nabijalom kvadratnega prereza. Iz nabijala je bilo potrebno občasno odstraniti odvečno zemljino, ki bi lahko onemogočila ustrezno zbijanje vzorcev. Ob zbijanju sem morala še posebno paziti na robove vzorcev, kjer bi lahko prišlo do krušenja in s tem porušitve pri manjši obtrmrnitvi preizkušanju. Postopek nabijanja in sušenja je prikazan na Sliki 2.2. (a) (b) (c) Slika 2.2. Izdelava vzorcev (a) polnjenje kalupa, (b) nabijanje in (c) sušenje vzorcev. V splošnem je bilo lažje in hitreje oblikovati vzorce Zemljine 2. Zemljina 1 se je po pričakovanju obnašala veliko bolj plastično in jo je bilo posledično težje nabijati v kalupe. Od vseh vzorcev je bilo najlažje oblikovati vzorce z dodano melaso, medtem ko so največ spretnosti zahtevali vzorci z dodanim mavcem. Po končanem nabijanju sem zgornjo površino gredic izravnala s pomočjo pleskarske lopatice in vzorce v kalupih pustila najmanj 24 ur. Po tem času sem vzorce razopažila in jih sušila na zraku še 20 dni pri temperaturi od 20 do 24 °C. Posebno pozornost sem pri oblikovanju vzorcev posvetila izbranim dodatkom in njihovim vplivom na oblikovanje ter sušenje gredic. Za namene preiskav sem sirotko proizvedla en dan preden sem jo primešala zemljini in sicer namesto vode v količini potrebni za primerno konsistenco. Ob oblikovanju vzorcev in nabijanju zemljine v kalupe ni prišlo do razlike v primerjavi z referenčnimi vzorci brez dodatka, kjer sem uporabila vodo. Zemljina je imela specifičen vonj po mleku, ki pa je po 21 dnevih sušenja popolnoma izginil. Štiri dni po oblikovanju se je na vzorcih pojavila plesen, predvsem na stranicah v neposrednem stiku s podlago, kar je prikazano na Sliki 2.3 (a). Zato sem gredice prestavila iz laboratorija na odprt prostor, kjer so bili izpostavljeni soncu in vetru. Tako je plesen v dveh urah popolnoma izginila in se do časa testiranja ni več pojavila. Iz navedenega sklepam, da do pojava plesni ne bi prišlo, če bi bili vzorci sušeni na primerno prezračevanem mestu. Za izdelavo vzorcev sem melaso najprej raztopila v manjši količini vode in jo nato dodala k suhi mešanici gline, melja in peska. Glede na maso celotnih vzorcev je bilo v sestavi 5 % melase. Ta se je izkazala za v vodi lahko topno snov, kar je olajšalo samo izdelavo gredic. Učinek dodatka se je občutil že ob sami izdelavi vzorcev, saj je bilo zemljino veliko lažje oblikovati, prav tako so gredice prevzele barvo melase in so bile tudi po sušenju temno rjave barve. Kot ob dodajanju sirotke, se je tudi v primeru melase pojavila plesen šesti dan po oblikovanju vzorcev, vendar v manjšem obsegu (Slika 2.3 (b)). Tudi v tem primeru je bila plesen odpravljena po dvournem sušenju na sončni legi. (a) (b) Slika 2.3. Plesen na vzorcih z dodatkom (a) sirotke 4 dni po izdelavi in (b) melase 6 dni po izdelavi. Gredice z apnom je bilo lahko oblikovati, vendar pa je bilo potrebno zaradi velike specifične površine apna potrebne več vode za omočenje in posledično za ustrezno konsistenco. Glede na celotno maso vzorca je količina dodanega apna znašala 6 %. Vzorci so bili zelo svetle, skoraj bele barve. Pri oblikovanju gredic iz mavca je problem predstavljala hitra reakcija med mavcem in vodo. Posledično je bilo potrebno najprej zmešati glino, melj in pesek, dodati vodo, mavec pa primešati že dobro pregneteni zmesi. Prav tako je bilo potrebno oblikovati gredice čim hitreje, zato je bilo hkrati možno pripraviti le manjše količine zemljine, kar bi občutno podaljšalo čas v primeru večje proizvodnje. V vzorcih je bilo glede na končno maso vzorcev 6 % mavca. Pri odločanju, katera vlakna uporabiti kot ojačitev je pomembno vlogo igrala dolžina vlaken. Časopisni papir sem uporabila v obliki centimeter širokih trakov (Slika 2.4 (a)), ki sem jih narezala z rezalnikom in namočila v vodo. Namočene trakove sem dodala mešanici zemljine, pri čemer je večina trakov ostala nepoškodovanih (Slika 2.4 (b)). Glede na celotno maso vzorcev sem zemljini dodala 2 % časopisnega papirja. Posebna pozornost sem posvetila enakomerni razporeditvi časopisnega papirja po celotnem vzorcu, saj bi lahko neenakomerna razporeditev močno vplivala na posamezne rezultate. Iglice uporabljene v vzorcih so bile mešanica suhih smrekovih in macesnovih iglic, ki sem jih nabrala iz tal v okolici dreves. Glede na končno maso gredic sem zemljini primešala 5 % iglic. Iglice sem zmešala s suhimi komponentami (Slika 2.4 (c)), nato sem dodala vodo. Pri tem sem pazila, da so bile iglice čim bolj enakomerno porazdeljene po vzorcu. (a) (b) (c) Slika 2.4. Vlaknasti dodatki (a) časopisni papir narezan na trakove, (b) namočeni trakovi pred mešanjem z zemljino in (c) iglice pred mešanjem z zemljino. 2.2. Eksperimentalne metode Meritve upogibne in tlačne trdnosti sem opravila na trgalni napravi za testiranje materialov Zwick Roell Z010 (Slika 2.5 (a)) v Laboratoriju za raziskave materialov in konstrukcij na Fakulteti za gradbeništvo Univerze v Mariboru in so potekale ob pomoči tehničnega osebja. (a) (b) Slika 2.5. (a) Univerzalni trgalni stroj Zwick Roell Z010 in (b) uporabniški vmesnik testXpert s prikazom rezultatov meritev. Pri tem sem za upogibne in tlačne preizkuse uporabila dva različna kompenzatorja, naprava pa je bila neposredno povezana z računalnikom, kjer sem za upravljanje naprave in zbiranje podatkov uporabila program testXpert V10.0 (Zwick Roell, 1995-2003) (Slika 2.5 (b)). S programom testXpert sem obdelala vse zbrane podatke in jih nato prenesla v program Microsoft Excel (Microsoft Corporation, 2006), kjer sem izdelala numerično analizo in grafične prikaze rezultatov. Mehanske preizkuse sem opravila po 21 dneh od oblikovanja vzorcev. Pred preiskavo sem vzorce stehtala in izmerila, ter označila njihovo vrhnjo stranico. Najprej sem izvedla upogibne preizkuse, za katere je bila potrebna ustrezna namestitev kompenzatorja za upogibni preizkus v napravo Zwick Roell (Slika 2.6 (a)). Po končanem preizkusu je vzorec razpadel na dve polovici, s čemer je nastalo skupno šest vzorcev za tlačni preizkus. Med testiranjem so se rezultati avtomatično prenašali v računalniški program testExpert, kjer so se izrisali F–δ diagrami. Po končanem upogibnem preizkusu sem izvedla še tlačnega (Slika 2.6 (b)). Vsi preizkusi so potekali pri hitrosti obremenitve 0,01 mm s-1. Z napravo torej reguliramo prirastek deformacije in merimo silo potrebno za nastanek deformacije. Po testiranju sem ostanke vzorcev odvrgla v zbirni zabojnik, zbrani odpad pa je namenjen ponovni uporabi. (a) (b) Slika 2.6. Kompenzatorja za (a) upogibni preizkus in (b) tlačni preizkus. 3. Rezultati in diskusija Po 21 dneh sušenja so se vzorci zaradi različnih dodatkov vizualno razlikovali (Slika 3.1). Vzorci s sirotko so bili temno sive barve, z melaso temno rjave, z apnom skoraj bele barve, z mavcem pa svetlo sive barve. Vzorci z dodanim časopisnim papirjem in iglicami so ostali svetle barve, vlakna pa so bila vidna na stranicah gredic. Slika 3.1. Vzorci zemljine z dodatki po 21 dneh sušenja od leve proti desni: sirotka, melasa, apno, mavec, časopisni papir in iglice. 3.1. Gostota in krčenje Tabela 3.1 prikazuje vpliv dodatkov na gostoto vzorcev. Sprememba gostote zaradi uporabe sirotke, melase in mavca je bila zanemarljiva in je znašala od 1 do 3 %. Apno, časopisni papir in iglice so najbolj vplivali na spremembo gostote, namreč gostota vzorcev z apnom se je zmanjšala za 10 % pri Zemljini 1 in 6 % pri Zemljini 2, podobno sta se ob dodanem časopisnem papirju gostoti zmanjšali za 8 oziroma 10 %. Najbolj se je glede na referenčni vzorec zmanjšala gostota ob dodanih iglicah in sicer za 14 % pri Zemljini 1 in za 17 % pri Zemljini 2. Iz Tabele 3.1 je razvidno tudi, da je v primeru referenčnega vzorca prišlo do krčenja vzorca Zemljine 1 in razleza vzorcev Zemljine 2 glede na prostornino kalupa (256 cm3). Predvidevam, da je do povečanje volumna nastalo ob razopaževanju, saj so bile zaradi manjšega deleža gline šibkejše kohezijske sile. Zanemarljive spremembe so nastale na vzorcih s sirotko in mavcem. Kadar so bila zemljini primešana vlakna, je nastalo krčenje tudi v primeru Zemljine 2. Podrobi rezultati meritev so prikazani v Prilogi 2 in Prilogi 3. Tabela 3.1. Gostota, sprememba dimenzij in sprememba volumna vzorcev zemljine po 21 dneh sušenja. 3.2. Tlačna trdnost Tabela 3.2 prikazuje povprečne vrednosti tlačne trdnosti vzorcev z različnimi dodatki, medtem ko so posamezne meritve zbrane v Prilogi 4. Pri tem so bile povprečne vrednosti pridobljene iz šestih vzorcev za vsak dodatek. Glede na odstopanja od povprečja je bil izračunan eksperimentalni standardni odmik. Kot je razvidno iz Tabele 3.2 je referenčni vzorec Zemljine 1 dosegel višjo tlačno trdnost glede na Zemljino 2. Med dodatki sta sirotka in mavec povečala tlačno trdnost za 25 oziroma 74 % pri Zemljini 1 in za 100 oziroma 161 % pri Zemljini 2. Oba dodatka sta bolje učinkovala na Zemljini 2. Vsi vzorci z dodanimi vlakni so dosegli nižjo tlačno trdnost kot referenčni vzorci, pri tem pa so bile višje vrednosti izmerjene na Zemljini 1. Tako se je zaradi časopisnega papirja tlačna trdnost zmanjšala za 15 % pri Zemljini 1 in za 20 % pri Zemljini 2, zaradi iglic pa za 27 oziroma 31 %. V primeru dodanega apna in melase sem izmerila najnižje vrednosti tlačne trdnosti. Ob dodanem apnu se je trdnost znižala za 40 oziroma 25 %, ob melasi pa za 36 oziroma 30 %. Deviacija je bila najvišja v primeru dveh dodatkov, ki sta se izkazala za najbolj učinkovita, torej sirotke in mavca in je znašala ~ 0,5 N mm-2. Tabela 3.2. Vrednosti tlačne trdnosti (σ) določene na šestih vzorcih in eksperimentalni standardni odmik (s) za Zemljino 1 (40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek) in Zemljino 2 (20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek) glede na dodatek. Dodatek Zemljina 1 Zemljina 2 σ (N mm-2) s (N mm-2) σ (N mm-2) s (N mm-2) Referenčni v. 1,86 0,05 1,45 0,03 Sirotka 2,32 0,47 2,90 0,16 Melasa 1,19 0,16 1,01 0,06 Apno 1,11 0,09 1,09 0,21 Mavec 3,24 0,42 3,78 0,31 Časopis 1,59 0,09 1,16 0,09 Iglice 1,35 0,08 0,99 0,23 Sliki 3.2 in 3.3 prikazujeta F-δ diagram za Zemljino 1 in 2. Podrobni diagrami F-δ za vse tlačne preizkuse se nahajajo v Prilogah 6 – 12. Iz analize grafov ugotavljam, da dodatek mavca in sirotke sicer bistveno izboljša tlačno trdnost zemljine, vendar pa ob doseženi maksimalni sili vzorec razpade in obtežbe več ne prenaša. Enako velja za referenčni vzorec in apno. Nasprotno pa ostali vzorci po doseženi maksimalni obtežbi ne razpadejo, skrček močno narašča, vzorec pa večji del obtežbe še vedno prenašajo. Vzorci z dodatki melase, časopisnih vlaken in iglic sploh niso razpadli, temveč smo preizkus ročno ustavili. Pri ustavitvi so vzorci še vedno prenašali več kot 90 % maksimalne obtežbe. 3.3 Upogibna trdnost Tabela 3.3 prikazuje povprečne upogibne vrednosti vzorcev z različnimi dodatki. Posamezne meritve upogibne trdnosti so za vse vzorce prikazane v Prilogi 5. Povprečne vrednosti prikazane v tabeli so bile pridobljene iz treh vzorcev za vsak dodatek, glede na odstopanja od povprečne vrednosti pa je bil izračunan eksperimentalni standardni odmik. Slika 3.2. Rezultati tlačnega preizkusa Zemljine 1 z dodatki. Sestava Zemljine 1 je 40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek. Slika 3.3. Rezultati tlačnega preizkusa Zemljine 2 z dodatki. Sestava Zemljine 2 je 20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek. Iz Tabele 3.3 je razvidno da so dodatki večinoma izboljšali upogibno trdnost vzorcev v primeru obeh zemljin. Najvišjo upogibno trdnost so ponovno dosegli vzorci ob dodanem mavcu in sirotki. Mavec je trdnost v primeru Zemljine 1 izboljšal za 83 %, v primeru Zemljine 2 pa za 197 %. Trdnost vzorcev s sirotko se je povečala glede na referenčni vzorec za 119 in 123 %. Vzorci s sirotko so v primeru Zemljine 1 dosegli najvišjo vrednost upogibne trdnosti. Tudi ostali dodatki so izboljšali upogibno trdnost vzorcev. Zaradi dodane melase se je trdnost zemljine zvišala za 30 oziroma 21 %, zaradi časopisnega papirja pa za 17 oziroma 18 % pri Zemljini 1 oziroma Zemljini 2. Ob dodanem apnu se je upogibna trdnost Zemljine 1 zmanjšala za 9 %, medtem ko se je trdnost Zemljine 2 povečala za 5 %. Nadalje so tudi iglice povzročile zmanjšanje upogibne trdnosti Zemljine 1 za 28 %, pri Zemljini 2 pa glede na referenčni vzorec ni prišlo do sprememb v trdnosti. Tako kot v primeru tlačnih preizkusov je bila deviacija največja ob testiranju vzorcev z najvišjimi vrednostmi upogibne trdnosti. Tabela 3.3. Upogibna trdnost (σ) določena na treh vzorcih in eksperimentalni standardni odmik (s) za Zemljino 1 (40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek) in Zemljino 2 (20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek) glede na dodatek. Dodatek Zemljina 1 Zemljina 2 σ (N mm-2) s (N mm-2) σ (N mm-2) s (N mm-2) Referenčni v. 0,54 0,02 0,39 0,02 Sirotka 1,18 0,43 0,87 0,04 Melasa 0,70 0,09 0,47 0,06 Apno 0,39 0,04 0,41 0,06 Mavec 0,99 0,08 1,16 0,10 Časopis 0,63 0,01 0,46 0,00 Iglice 0,49 0,04 0,39 0,05 Sliki 3.4 in 3.5 prikazujeta F–δ diagrama upogibnega preizkusa na vzorcih Zemljine 1 in Zemljine 2. Podrobni diagrami za vse upogibne preizkuse se nahajajo v Prilogah 13 – 19. Tudi v primeru upogibnih preizkusov je na grafih opazna razlika med dodatki, ki so izboljšali upogibno trdnost in vzorci z dodatki, ki so ob manjših tlačnih trdnostih dosegli velike upogibke. Kljub izboljšanju upogibne trdnosti vzorci z dodanim mavcem in sirotko po doseženi maksimalni sili niso več prenašali obtežbe in so razpadli. Vzorci z dodanimi vlakni in melaso pa so, tako kot pri tlačnem preizkusu, po dosegu maksimalne obremenitve le-to še vedno prenašali, upogibek pa je močno priraščal. Posebej izrazit upogibek sem zasledila v primeru dodanih iglic, na izrisanih krivuljah pa sta izrazita dva vrhova. Slika 3.4. Rezultati upogibnega preizkusa Zemljine 1 z dodatki. Sestava Zemljine 1 je 40 % glina – 30 % melj – 30 % pesek. Slika 3.5. Rezultati upogibnega preizkusa Zemljine 2 z dodatki. Sestava Zemljine 2 je 20 % glina – 40 % melj – 40 % pesek. 4. Zaključki Na osnovi izkušenj pridobljenih pri izdelavi vzorcev in opravljenih preizkusih podajam naslednje zaključke: 1.Dodatki k zemljini so vplivali na obdelovalnost vzorcev. Najtežje je bilo oblikovati vzorce z mavcem, iglicami in časopisnim papirjem, najlažje pa vzorce z melaso, ki je ustvarila izredno kohezivno zemljino. 2.Zaradi organskih dodatkov so vzorci dobili specifičen vonj, ki je kmalu izginil, na nekaterih od njih se je pojavila plesen, ki je izginila po sušenju na oprtem prostoru. 3.Od dodatkov je bila odvisna barva vzorcev, kar je lahko pri gradnji z zemljino pomembno tudi iz estetskega vidika. Vzorci z melaso so bili temno rjavi, s sirotko temno sivi in z apnom skoraj beli. 4.Dodatki so vplivali na gostoto zemljine. Glede na referenčni vzorec so se zmanjšale gostote vseh gredic z dodatki razen melase. Tako so najmanjšo gostoto dosegli vzorci z dodanimi iglicami, sledili so vzorci s časopisnim papirjem, apnom, mavcem in sirotko. 5.Izbrani dodatki so različno prispevali k volumskim spremembam Zemljine 1 in Zemljine 2, pri čemer jasnega trenda iz zbranih rezultatov ni možno razbrati in bi bilo potrebno izvesti dodatne preizkave. 6.Izboljšanje tlačne trdnosti sem opazila v primeru mavca in sirotke in sicer za 50 do 150 % glede na referenčni vzorec. Po drugi strani pa so vzorci z melaso, časopisnim papirjem in iglicami ob velikem prirastku deformacije prenašali več kot 90 % obtežbe tudi po doseženi maksimalni sili. 7.Nadalje se je v primeru mavca in sirotke izboljšala upogibna trdnost in sicer za 100 do 200 % glede na referenčni vzorec. Vzorci z dodanimi iglicami kljub veliki upogibni deformaciji prenašajo ~50 % maksimalne obremenitve tudi po doseženi največji sili. Glede na zgoraj navedeno ocenjujem, da so namen in cilji diplomskega dela v celoti doseženi. Osnovna teza diplomskega dela je bila, da bodo dodatki izboljšali trdnost vzorcev v naslednjem zaporedju: apno, mavec, sirotka, melasa, iglice, časopisni papir. Zbrani rezultati so to tezo delno potrdili. Za nadaljnje delo predlagam razširitev raziskave vplivov dodatkov na krčenje zemljine. Ker se je sirotka izkazala za dodatek, ki pomembno izboljša trdnost zemljine, bi bila primerna za nadaljnje raziskave. Sirotka je namreč odpadek mlečne industrije in ne primarni proizvod. Zaradi sposobnosti prenašanja obremenitve po doseženi maksimalni sili za nadaljnje delo priporočam tudi podrobne raziskave uporabe drevesnih iglic in časopisnega papirja. LITERATURA Achenza M., Fenu L., 2006. On Earth stabilization with natural polymers for earth masonry construction, Materials and Structures (1) (2006), 21-27. Baggs D., Mortensen N., 2006. Thermal mass in building design, BDP Environment Design Guide (5), (05.07.2010) Gungl M., 2010. Mehanski preizkusi nežgane zemljine, seminarsko delo v izdelavi, Univerza v Mariboru, Maribor. Houben H., Hubert G., 1989. Earth Construction: A Comprehensive Guide, Intermediate Technology Publications, London. Keefe L., 2005. Earth Building: Methods and Materials, Repair and Conservation, Taylor & Francis, Abingdon. Lynne E., Adams C., 2005. Alternative Construction: Contemporary Natural Building Methods, John Wiley & Sons, Inc., Hoboke, New Jersey. McHenry P.G. Jr, 1989. Adobe and Rammed Earth Buildings: Design and Connstruction, The University of Arizona Press, Tucson. Microsoft Corporation, 2006. Excel 2007. Minke G., 2006. Building With Earth, Publishers for Architecture, Birkhäuser. New4Old, 2009. Technical guidelines for building designers, Thermal mass, (12.07.2010). Zwick Roell, 1995-2003. TestXpert V10.0, Zwick GmbH & Co., (30.8.2010). 5. Priloge Priloga 1. Sestava preizkušanih vzorcev. Priloga 2. Masa, volumen in gostota vzorcev 21 dni po oblikovanju. Priloga 3. Širina (Š), višina (V) in dolžina (D) vzorcev v mm. Priloga 4. Tlačne trdnosti vseh preizkušenih vzorcev v N mm-2. Priloga 5. Upogibne trdnosti vseh preizkušenih vzorcev v N mm-2. Priloga 6. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 referenčnega vzorca. Priloga 7. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanem apnu. Priloga 8. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanem časopisnem papirju. Priloga 9. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanih iglicah Priloga 10. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanem mavcu. Priloga 11. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodani melasi. Priloga 12. F – δ diagram tlačnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodani sirotki. Priloga 13. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 referenčnega vzorca. Priloga 14. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanem apnu. Priloga 15. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanem časopisnem papirju. Priloga 16. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanih iglicah. Priloga 17. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodanem mavcu. Priloga 18. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodani melasi. Priloga 19. F – δ diagram upogibnega preizkusa za Zemljino 1 in Zemljino 2 ob dodani sirotki.