WYKŁAD - KRUSZYWA BUDOWLANE

Kruszywa - ziarnisty materiał budowlany, używany do zapraw, betonów, mieszanek mineralno-asfaltowych, warstw nośnych nawierzchni drogowych, warstw mrozoochronnych, filtracyjnych, itp.

1. Kruszywa skalne (uzyskane ze skał naturalnych)

W zależności od surowca skalnego oraz sposobu produkcji kruszywa skalne dzielimy na grupy:

• naturalne - powstałe na drodze naturalnego rozdrobnienia skał

• łamane - otrzymywane na drodze mechanicznego rozdrobnienia skał

Ze względu na sposób i stopień obróbki kruszywa dzielimy na podrupy:

• kruszywa naturalne:

• niekruszone

• kruszone, otrzymywane w wyniku kruszenia surowca skalnego luźnego, charakteryzujące się ziarnami ostrokrawędziastymi o powierzchniach szorstkich

• kruszywa łamane:

• zwykłe, uzyskane w wyniku co najmniej jednokrotnego przekruszenia skał litych, charakteryzujące się ziarnami ostrokrawędziastym o nieforemnych kształtach

• granulowane, kruszywo zwykłe poddane dodatkowemu uszlachetnieniu, charakteryzujące się stępionymi krawędziami i narożami

Rys. 1. Występowanie naturalnego kruszywa żwirowego i żwirowo-piaszczystego w Polsce

Występowanie naturalnego kruszywa żwirowego i żwirowo-piaszczystego wg Siliwończuka Z. przedstawiono na rysunku 1.

Ze względu na genezę wyróżniamy złoża:

• lodowcowe,

• wodnolodowcowe,

• rzeczne i morskie (na dnie Bałtyku).

W dolinach rzek górskich w Karpatach i Sudetach znajduje się około 60% ogólnych rozpoznanych zasobów kruszywa naturalnego sięgających do miąższości około 25 do 100 m o niskim punkcie piaskowym od 30 do 40 %. Na północnym obszarze Polski od szczecińskiego poprzez pomorsko-wielkopolski, mazurski, suwalski, białostocko-Sokółki do Kurpiowskiego. Na tym obszarze są głównie skały magmowe metamorficzne i osadowe jak wapienie zbite, miękkie, piaskowce, kwarcyty z wyjątkiem obszaru Suwałk, gdzie występują wapienie oraz w obszarze południowego Niżu Polskiego (rejon lubelski, kielecki, częstochowski nie ma dobrej jakości żwirów. Najlepsze właściwości ma kruszywo naturalne w rejonie śląskim, raciborskim, ostrzeszowskim, wrocławskim, bobrzańskim, tarnowskim i w dolinie Sanu. Kruszywa naturalne mogą zawierać ziarna destrukcyjne i reagują z alkaliami cementu, a w szczególności, gdy zawierają w piaskowcach lepiszcze dolomitowo-ilaste, w skład ziarn kruszyw otoczakowych także wchodzą wapienie margliste, wapienie zsylikowane, opoki, czerty, krzemienie, rogowce, gezy. Z tych to względów należy oceniać te kruszywa na ich destrukcję z alkaliami cementu. W obszarze północnym występuje największa ilość drobnoziarnistych kruszyw - piasku śr. 59%, a frakcji żwirowej 5-20 mm sięga 32%. W obszarze wschodnim zalegają kruszywa naturalne o p.p. 66%, a frakcji żwirowych do 22mm wynosi 35%. W obszarze zachodnim p.p. sięga do 64%, a frakcji 5-20 mm wynosi 35%. Na obszarze karpackim p.p. wynosi 39%, a żwir do 80 mm sięga 61%. W obszarze sudeckim p.p. sięga 43%, a żwirowe frakcje do 80 mm wynoszą 45%.

Właściwości kruszyw naturalnych można bardzo ogólnie przyjąć:

• wytrzymałość na miażdzenie (% rozkruszenia) 24%,

• zawartość ziarn słabych do 15%,

• nasiąkliwość do 5%,

• mrozoodporność (ubytek masy) do 10%,

• zawartość pyłów mineralnych do 4-10%

• zawartość zanieczyszczeń ilasto-gliniastych do 5%

W skład kruszyw otoczakowych wchodzą wszystkie rodzaje skał: magmowe, osadowe (porowate lekkie i zwarte) oraz metamorficzne.

Głazy narzutowe o średnicy 350 do 1000 mm są związane z osadami lodowcowymi. Zlokalizowane są na północy o miąższości 5-10 mm. Kruszywo łamane do betonów zgłazów jest dobrej jakości o klasie 50.

Na dnie Bałtyku (część Ławicy Słupskiej - eksploatowane), Orlej, Południowej, Środkowej, Osetnickiej w zatoce Gdańskiej na wysokości Orłowa. Eksploatowane złoże ma miąższość 1,5m na głebokości 14m. Kruszywo ma klasę 50 czyli nie ma ziarn porowatych, płaskich i zwietrzałych i słabych. Kształt ziarn jest zbliżony do kuli.

Ze względu na uziarnienie kruszywa skalne dzieli się na trzy rodzaje:

• drobne - o wymiarze ziaren do 4 mm

• grube - o wymiarze ziaren do 4-63 mm

• bardzo grube - o wymiarze ziaren do 63-250 mm

W zależności od gęstości objętościowej kruszywa skalne dzieli się na trzy typy:

• ciężkie - o gęstości objętościowej powyżej 3000 kg/m³

• zwykłe - o gęstości objętościowej 1800 - 3000 kg/m³

• lekkie - o gęstości objętościowej poniżej 1800 kg/m³

Ze względu na cechy jakościowe, kruszywa skalne dzieli się na:

• sortymenty

• odmiany

• gatunki

• marki

Dla kruszyw mineralnych do betonu zwykłego wyróżnia się trzy podstawowe grupy asotrymentowe:

• piasek, piasek łamany

• żwir, grys, grys z otoczaków

• mieszanka kruszywa naturalnego, mieszanka z otoczaków i mieszanka kruszywa łamanego sortowana

Rys. 2. Kształty ziarn kruszywa otoczakowego - a), b) oraz kruszyw łamanych - c), d)

Ze względu na zawartość poszczególnych frakcji kruszywa do betonu zwykłego dzieli się na gatunki (1 i 2), a w zależności od przydatności do odpowiedniej klasy betonu - dzieli się na cztery marki (10, 20, 30 i 50)

Ponadto rozróżnia się cztery podstawowe klasy petrograficzne kruszywa grubego:

• żwir

• grys ze skał magmowych i metamorficznych

• grys z otoczaków

W zależności od zawartości grudek gliny w kruszywach ze skał węglanowych i/lub nasiąkliwości w grysach skał magmowych i metamorficznych rozróżnia się dwie odmiany (I i II)

Oznaczenie kruszyw powinno zawierać następujące dane:

• skróconą nazwę kruszywa (np. żwir, piasek)

• skróconą nazwę klasy petrograficznej kruszywa lub skały (np. dolomit, granit)

• symbol frakcji lub grupy frakcji

• symbol gatunku kruszywa (tylko dla mieszanek)

• symbol marki kruszywa (tylko dla kruszyw grubych i mieszanek grubych)

• symbol odmiany (tylko dla kruszyw dla kruszyw łamanych ze skał węglanowych i grysów ze skał magmowych i metamorficznych)

• numer normy

• skróconą nazwę zakładu produkującego kruszywo lub kopalni (kamieniołomu)

Podział kruszyw mineralnych wg PN-87/B-01100

Rodzaj kruszywa

Wymiar ziaren wg oczek kwadratowych sit kontrolnych

Asortyment

Grupy

Kruszywa naturalne

Kruszywa łamane

Podgrupy

Od

Do

Naturalne niekruszone

Naturalne kruszone

Zwykłe

Granulowane

Drobne

0,0

2,0

piasek zwykły

pospółka

mieszanka kruszywa naturalnego

piasek kruszony

mieszanka z otoczaków

miał

niesort

piasek łamany

mieszanka kruszywa łamanego sortowana

2,0

4,0

żwir

grys z otoczaków

grys

Grube

4,0

8,0

kliniec

8,0

16,0

16,0

31,5

31,5

63,0

tłuczeń

Bardzo grube

63,0

250,0

otoczaki

kamień naturalny

Właściwości kruszyw

Kruszywo do betonu nie może być zanieczyszczone organicznie bo następuje rozkład części roślin i powstają kwasy humusowe, które ujemnie wpływają na przebieg wiązania cementu i trwałość betonu.

Pyły mineralne o ziarnach poniżej 0,063 mm zwiększają wodożądność, oblepiają ziarna kruszywa i przez to utrudniony może być bezpośredni dostęp zaczynu cementowego do czystych powierzchni ziarn kruszywa drobnego i grubego. Stąd normy ograniczają procentowy nadmierny udział pyłów w kruszywie w zależności od marki (klasy).

Odmiennie zachowują się w zaczynie rozproszone pyły ze skał węglanowych powodując zwiększenie szczelności i wytrzymałości betonu.

Kształt ziarn płaskich i wydłużonych ujemnie wpływają na urabialność mieszanki, utrudniając jej zagęszczanie w formach a to z kolei zmniejsza między innymi szczelność, mrozoodporność, wytrzymałość betonu. Poza tym ziarna takie mają większą powierzchnię w stosunku do objętości co powoduje zwiększenie ilości cementu. Także ziarna płaskie, a w szczególności o większych rozmiarach powodują sedymentację zaczynu pod ziarnem bezpośrednio po ułożeniu i zagęszczeniu mieszanki zbiera się rozwodniony zaczyn z którego wyparowuje woda, ziarna cementu pozostawiają pustki powietrzne, a tym samym dodatkowo obniża się wytrzymałość oraz szczelność betonu. Najkorzystniejszy efekt uzyskuje się gdy kształt ziarn kruszywa jest zbliżony do kuli lub do sześcianu ze zmniejszeniem ostrokrawędzistości w narożach to w mieszance następuje zmniejszenie tarcia pomiędzy ziarnami kruszywa i zaczynem, polepsza się urabialność, zwiększają szczelność betonu i rośnie wytrzymałość Przy istniejącej obecnie wysokiej technice produkcji kruszywa można łatwo uzyskać ziarna kubiczne przez dodatkowe

wprowadzenie do linii produkcyjnej np. kruszarki uderzeniowej jako granulatora w celu uzyskania ziarn kubicznych bez ostrych naroży. Przyczepność zaczynu do kruszywa zależy od szorstkości powierzchni ziarn. Im mamy większą właściwą powierzchnię (w rozwinięciu) ziarn tym uzyskujemy wyższą wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie betonu. Kruszywo łamane prawie zawsze spełnia ten warunek w stosunku do kruszywa żwirowego, którego ziarna mają gładką powierzchnie. Jeżeli ziarna mają na swojej powierzchni pory otwarte to uzyskują wyższą mechaniczną przyczepność zaczynu do kruszywa. Ponadto autorów wyniki badań wykazały możliwość powiększenia przyczepności zaczynu do ziarn kruszywa ze skał węglanowych, co w szerszym zakresie przedstawiono w rozdziale przy omawianiu warstwy kontaktowej zaczyn-kruszywo.

Wytrzymałość kruszywa zależy od wielu czynników od właściwości minerałów od ich ułożenia w skale, od kształtu ziarn. Im bardziej ziarna są zbliżone do kuli tym uzyskuje się w stosie okruchowym jamistość mniejszą niż w stosie kruszywa łamanego. Także należy pamiętać, że inne też właściwości fizyczne kruszywa mają znaczący wpływ na wytrzymałość betonu. Według Neville`a dopuszcza się myślenie, że wytrzymałość zależy nie tylko od wytrzymałości kruszywa, czy kształtu ziarn ale także zależy od jego

nasiąkliwości i przyczepności zaczynu do powierzchni ziarna kruszywa. Wytrzymałość skały jest ściśle związana ze współczynnikiem sprężystości tej skały. Im wyższy współczynnik sprężystości skały tym uzyskuje się wyższy współczynnik sprężystości betonu. Warto przy okazji wyników badań zwrócić uwagę, że stwardniały zaczyn cementowy przed obciążeniem oraz kruszywo (skała) wykazują liniowe zależności naprężeń i odkształceń, natomiast dla betonu ma postać krzywoliniowy. Następuje to z tytułu pękania zaprawy (łączenie się rys przyczepności). Kruszywa przeznaczane do budowy dróg betonowych powinny być badane na ścieralność, udarność i twardość, mrozoodporność, współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Rys. 4. Zależność współczynnika sprężystości Es od porowatości skały

1 - bazalt, 2 - kwarcyt, 3 - wapień, zbity, 4 - marmur, 5 - piaskowiec zielony,

6 - piaskowiec czerwony, 7 - granit

Porowatość kruszywa ściśle odnosi się do porowatości ziarn kruszywa. Niemal w każdym ziarnie kruszywa są pory otwarte na powierzchni obwodu ziarna i pory zamknięte. Pory o wielkościach 7 do 25 nm uznawane są za najbardziej szkodliwe, a pory mniejsze od 4 nm nie wpływają na obniżanie mrozoodporności. Ogólnie można uznać, że porowatość kruszywa jest mniejsza niż porowatość zaczynu cementowego. Można ogólnie przyjąć, że porowatość wynosi dla kruszywa 1,5%, a dla stwardniałego zaczynu cementowego 30%. Ponadto - pory w kruszywie mineralnym są zawsze większe niż pory żelowe w zaczynie - pory otwarte zwiększają mechaniczną przyczepność zaczynu do ziarn kruszywa mimo, że jednocześnie następuje nie duże zwiększenie wodożądności tego kruszywa. Wiadomym jest, że porowatość kruszywa ma znaczący wpływ na nasiąkliwość, przenikalność, a te cechy mają wpływ na mrozoodporność kruszywa i betonu. Normowa nasiąkliwość kruszywa obowiązuje do 4% a mrozoodporność do 90% badanych losowo wybranych ziaren o wielkości powyżej 4mm. Tablica 1 przedstawia normowe PN 86/B-06712 wymagania dla kruszyw łamanych w zależności od marek.

Tablica 1 Wymagania normowe kruszyw łamanych w zależności od marek

Sztuczne kruszywa lekkie do betonów

W Polsce od 1963 produkowane są z surowców ilastych keramzyt i glinoporyt (PN-78/B-01101).

• Keramzyt (gliniec) otrzymuje się go przez pęcznienie łatwo topliwych iłów w procesie wypalania w piecach obrotowych. Ziarna kruszywa mają kształt zbliżony do kuli z porami

zamkniętymi o czerepie spieczonym.

• Glinoporyt (agloporyt) otrzymuje się przez spiekanie surowców ilasto-glinowych niepęczniejacych w panwiach i w piecach rusztowych, po rozkruszeniu otrzymuje się tłuczeń ceramiczny z porami otwartymi o czerepie spieczonym.

• Łupkoporyt otrzymuje się przez spiekanie łupków przywęglowych na taśmie aglomeracyjnej. Następnie spieki te są kruszone i rozsiewane na określone frakcje. Ziarna mają kształt nieregularny z otwartymi porami od 0,06 do 1 mm lub kawernami oraz o powierzchni szorstkiej.

• Popiołoporyt produkowany jest z popiołów lotnych otrzymywanych w elektrowniach (elektrociepłowniach) przez spalenie mielonego węgla.

• Żużel granulowany jest to odpad hutniczy o uziarnieniu do 5mm.

• Żużel paleniskowy mimo, że uzyskuje się po spaleniu węgla to jednak zawiera cząstki węgiela, a uziarnienie jest zróżnicowane.

• Pumeks hutniczy otrzymuje się w bryłach spienianie płynnego żużla, następnie jest kruszony.

Porowatą strukturę ziarn przykładowych kruszyw lekkich przedstawiono poniżej

a) pumeks hutniczy b) pumeks naturalny

c) łupek d) keramzyt

Z wymienionych kruszyw sztucznych na całym świecie powszechnie jest stosowane do betonów izolacyjno-konstrukcyjnych kruszywo keramzytowe. Ziarna jego mają równomiernie rozłożone drobne zamknięte pory. Gęstość objętościowa waha się od 900 do 1400 kg/m³, nasiąkliwość ok. 20 % przy porowatości ok. 20-50%. Natomiast gęstość nasypowa 650-900 kg/m³ produkowanych na taśmach spiekalniczych, a w piecach obrotowych osiągają gęstość nasypową od 300 do 650 650 kg/m³. Pozostałe kruszywa posiadają zbliżone właściwości jak keramzyt. Natomiast najmniej wartościowymi kruszywami lekkimi do betonów są żużle. Ziarna granulowane keramzytu są kuliste i na obwodzie otoczone warstwą spieczoną gładkiej powierzchnii i o grubości 50-100μm zamykającą pory wewnątrz ziarna. Dzięki tej spieczonej warstwie uzyskuje się obniżoną nasiąkliwość ziarn oraz lepszą urabialność mieszanki betonowej, pomaga temu kulisty kształt wszystkich ziarn. Ograniczona jest produkcja lekkich kruszyw drobnych od 0-5mm. Kruszywa grube najczęściej są produkowane 5-10mm, 10-20mm. Przy braku piasku lekkiego stosuje się piasek kwarcowy. Wytrzymałość na ściskanie z wymienionymi (oprócz żużlowych) kruszywami można osiągnąć od 7,5 do 40MPa przy gęstości pozornej betonu od 1000kg/m³ do 1800kg/m³. Piasek naturalny kwarcytowy zwiększa gęstość objętościową betonu z 1250 kg/m³ przy drobnym keramzycie do 1600 kg/m³, obniża wytrzymałość oraz zmniejsza izolacyjność cieplną. W takich przypadkach decydują wymagania użytkowe aby podwyższyć jakość, a tym samym trwałość. Problemem jest duża nasiąkliwość kruszyw porowatych w czasie mieszania składników oraz transport mieszanki za pomocą pompy, ponieważ woda wypełnia pory otwarte bardzo łatwo i trudniej pory zamknięte zmienia stosunek w/c i w dalszej konsekwencji w okresie zimy zmniejsza odporność mrozową betonu. Według Nevilla brak jest zależności między wytrzymałością samego kruszywa i wytrzymałości betonu wykonanego z tym kruszywem czyli chcąc uzyskać np. wytrzymałość 70 MPa to należy zwiększyć ilość cementu powyżej 600 kg/m³. Przyczepność zaczynu do lekkiego kruszywa jest uzależniona od szorstkości powierzchni ziarn od otwartych pór, które zwiększając przyczepność mechaniczną. Po drugie zaczyn cementowy może wnikać w głąb ziarn w czerepie ceramicznym z porami kapilarnymi. Następną przyczyną jest mała różnica między modułami sprężystości co ma wpływ na zbliżone wielkości naprężeń w zaczynie i kruszywie i to eliminuje rysy w warstwie stykowej. Ogólnie można stwierdzić w ślad za treścią literatury Nevilla, że kruszywa lekkie nie wpływają ujemnie na trwałość betonu z wyjątkiem mrozoodporności betonu z tytułu nasycenia wodą ziarn kruszyw lekkich np. przed mieszaniem składników w betoniarce. Wnioskiem podsumowującym ocenę właściwości kruszyw lekkich w stosunku do kruszyw mineralnych (łamanych i żwirowych) jest konieczność dokonywania takiej oceny poprzez badania właściwości mieszanki betonowej i betonu stwardniałego. Ponadto należy przypomnieć, że kruszywa sztuczne np. keramzytowe posiadają dużą jednorodność swoich właściwości fizycznych i mechanicznych czego nie ma np. w kruszywie naturalnym (żwirowym).

Tekst „niebieski” pochodzi z artykułu: „Rodzaje i znaczenie kruszywa w betonie” XVII Ogólnopolska Konf. Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 2002 - autorstwa Jerzy Piasta, Wojciech Piasta

Keramzyt zgodnie z normą PN-86/B-23006 dzieli się na 4 granulacje o następujących gęstościach nasypowych:

• mieszankę drobną Md 0-4 mm 600-900 kg/m³

• kruszywo jednofrakcyjne grube G 4-8 mm 500-800 kg/m³

• kruszywo jednofrakcyjne grube G 8-16 mm 400-800 kg/mł

• kruszywo jednofrakcyjne grube G 16-32 mm 400-700 kg/mł

Keramzyt może być stosowany:

• do otrzymywania wszystkich rodzajów lekkich betonów o znacznych wytrzymałościach, z których można wykonywać pustaki ścienne, płyty dachowe, elementy stropowe itp.

• jako zasypka izolacyjna na ocieplenie stropów, ścian i posadzek

• do produkcji masy asfaltowej

• jako podłoże do upraw bezglebowych

• do pokrycia gruntów wokół krzewów i rabatów kwiatowych

• do oczyszczalni ścieków i drenażu oraz w geotechnice i radiestezji.

PUSTAKI ŚCIENNE

Z pustaków ściennych wykonuje się ściany nośne i działowe w budownictwie ogólnym i mieszkaniowym. Pustaki ścienne wykonywane są z keramzytobetonu.

Wymiary produkowanych pustaków ściennych:

ALFA - P
49x24x24 cm

ALFA -U
49x24x10,5 cm

ALFA - 3/4
49x24x17,1 cm

KSZTAŁTKA U
24x11,5x7 cm

STROPY GĘSTOŻEBROWE

Oferowane elementy stropów: pustak stropowy i belka stropowa o wysokości konstrukcyjnej 24 cm i rozpiętości od 2,4 do 6,6 m oraz rozstawie osiowym belek co 60 cm mogą być stosowane do budownictwa mieszkaniowego i użyteczności publicznej.

Wymiary produkowanych stropów:

Pustak stropowy o wymiarach 24x52x21 cm
Belka stropowa o długości od 2,4 do 6,6 m.

Charakterystyczne obciążenie zewnętrzne wynosi 3,75 kPa, a w tym:
- obciążenie technologiczne 1,5 kPa
- obciążenie od podłogi i tynku 1,5 kPa
- obciążenie od ścianek działowych
o masie 150 kg/m³ usytuowanych
prostopadle do żeber 0,75 kPa

Zużycie materiałów na 1 m² stropu
- beton zwykły B-15; 0,067 m²
- pustaki 6,9 szt.
- belki 1,67 mb

Odporność ogniowa stropu wynosi 1 godz.

BLOCZEK FUNDAMENTOWY

Bloczki fundamentowe służą do wykonywania ścian fundamentowych i piwnic w budownictwie ogólnym i mieszkaniowym.

Wymiary produkowanych bloczków fundamentowych:

38x24x12 cm

OBUDOWY PUSTAKÓW KOMINOWYCH

W sprzedaży dostępne są również obudowy pustaków kominowych

---