KRUSZYWA (wg PN-EN 12620 Kruszywa do betonu)

Kruszywo - ziarnisty materiał stosowany w budownictwie; główny składnik betonu, średnio zajmuje od 60 do 70% objętości betonu; najtańszy i najpowszechniej dostępny składnik betonu; nie wchodzi w reakcje chemiczne pod wpływem wody; określane jest często jako wypełniacz do betonu, jednak własności kruszyw takie jak ich kształt, uziarnienie, porowatość, nasiąkliwość, wilgotność czy wytrzymałość na rozdrabnianie mają zasadniczy wpływ na urabialność mieszanki betonowej oraz cechy charakterystyczne betonu, zatem nie należy opisywać kruszyw jedynie mianem wypełniacza.

KLASYFIKACJA KRUSZYW

Klasyfikacja kruszyw z uwagi na pochodzenie

Z uwagi na pochodzenie rozróżniamy trzy rodzaje kruszyw:

• kruszywo naturalne - kruszywo pochodzenia mineralnego, które poza obróbką mechaniczną (np. kruszenie, płukanie) nie zostało poddane żadnej innej obróbce (przykłady kruszyw naturalnych niełamanych: piasek, żwir, otoczaki, pospółka oraz kruszyw naturalnych łamanych: miał, grys, tłuczeń, kliniec)

• kruszywo sztuczne - kruszywo pochodzenia mineralnego, uzyskane w wyniku procesu przemysłowego obejmującego termiczną lub inną modyfikację (przykłady: pollytag, keramzyt)

• kruszywo z recyklingu - kruszywo powstałe w wyniku przeróbki nieorganicznego materiału (przykłady: gruz ceglany, gruz betonowy).

Przedmiotem tego opracowania są jedynie kruszywa naturalne, gdyż stanowią one około 90% kruszyw używanych w budownictwie.

Kruszywa naturalne mogą zostać rozdrobnione dzięki siłom przyrody, takim jak mróz, wiatr lub prądy wodne. Efektem tych zjawisk są luźne, zaokrąglone ziarna o gładkiej powierzchni. W przypadku celowego kruszenia skały litej, otrzymujemy kruszywo łamane o charakterystycznych ostrych krawędziach i szorstkiej powierzchni. Dzięki tym cechom kruszywo łamane ma lepszą przyczepność do zaprawy.

Właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne kruszyw naturalnych odpowiadają cechom skał, z których pochodzą. Rozróżniamy trzy grupy skał:

• skały magmowe - powstałe w wyniku stygnięcia lawy wulkanicznej; charakteryzuje je wysoka wytrzymałość na ściskanie

• skały osadowe - powstałe na skutek sedymentacji składników organicznych

• skały metamorficzne - przeobrażone skały magmowe lub osadowe.

Klasyfikacja kruszyw z uwagi na wielkość ziaren

Istnieje kilka podziałów kruszyw ze względu na wielkość ziaren. Wymiar ziarna opisany symbolem d/D oznacza, że ziarno zatrzymało się na dolnym sicie (d) a przeszło przez górne sito (D) zestawu sit normowych. Opierają się na definicji wymiaru ziarna, Polska Norma dzieli generalnie kruszywa na:

• kruszywo drobne - kruszywo o wymiarach ziaren D mniejszych lub równych 4 mm

• kruszywo grube - kruszywo o wymiarach ziaren D większych lub równych 4 mm oraz d większych lub równych 2 mm.

Dodatkowo norma dopuszcza jako osobny rodzaj kruszywa mieszane:

• kruszywo naturalne 0/8 - pospółka pochodzenia lodowcowego lub rzecznego

• kruszywo o ciągłym uziarnieniu - mieszanka kruszyw grubych i drobnych od 0 do 45 mm.

Norma wyróżnia również kruszywo wypełniające - pyły przechodzące przez sito 0,063 mm.

W budownictwie powszechny jest podział kruszyw niełamanych na piasek (0/2) i żwir (2/63) oraz kruszyw łamanych na piasek łamany (0/2) i grys (2/63).

BADANIA KRUSZYW

Producent kruszywa zobowiązany jest prowadzić następujące badania:

• wstępne badania kruszyw - odpowiednie do zamierzonego zastosowania, powinny być przeprowadzane w celu sprawdzenia zgodności z wyspecyfikowanymi wymaganiami w następujących przypadkach:

1. wykorzystywane jest nowe źródło kruszyw

2. wystąpiły większe zmiany w charakterze surowców lub w procesie przeróbki, mogące wpłynąć na właściwości kruszyw

• fabryczna kontrola produkcji - zakładowy system fabrycznej kontroli produkcji.

OPIS PETROGRAFICZNY

Badanie to polega na określeniu procentowego udziału w kruszywie grup skał czy minerałów. Przeprowadza się je oddzielnie dla kruszywa grubego i kruszywa drobnego, po przesianiu przez sito # 4 mm.

W przypadku kruszywa grubego należy ręcznie posortować określoną masę kruszywa na rodzaje skał czy minerałów posługując się lupą, igłą lub kwasem solnym. Poszczególne grupy należy zważyć i określić ich procentową zawartość:

[%]

gdzie:

m_sk - masa wybranej grupy

m_s­ - ogólna masa próbki.

W przypadku kruszywa drobnego określa się tylko zawartość kwarcu. Próbkę kruszywa rozsypuje się na papierze milimetrowym. W wybranych polach, np. o powierzchni 1cm² należy policzyć ziarna kwarcu i łączną liczbę ziaren (zwykle przy pomocy lupy). Zawartość kwarcu określa się wg wzoru:

[%]

gdzie:

l_k - liczba ziaren kwarcu

l - ogólna liczba ziaren.

Jako wynik traktujemy średnią z kilku pól.

BADANIE ZAWARTOŚCI ZANIECZYSZCZEŃ OBCYCH

Przez zanieczyszczenia obce należ rozumieć ciała nie będące kruszywem kamiennym, takie jak kawałki drewna, gruzu, muszli itp., które zostały wprowadzone do kruszywa w wyniku niewłaściwego transportu, składowania lub procesu wytwórczego.

Badanie polega na ręcznym wybraniu obcych zanieczyszczeń z rozsypanej na płaskiej powierzchni próbki kruszywa z znanej masie, zważeniu ich i obliczeniu wskaźnika procentowego:

[%]

gdzie:

m_o - masa zanieczyszczeń obcych

m - ogólna masa próbki.

BADANIE ZAWARTOŚCI ZANIECZYSZCZEŃ ORGANICZNYCH

Jest to badanie o charakterze jakościowym, pozwalające stwierdzić fakt obecności związków organicznych bez określania jakie to związki i ile ich jest. Polega ono na porównaniu barwy roztworu wodorotlenku sodowego, którym zalano próbkę kruszywa z barwą roztworu wzorcowego (słomkowożółta).

Umieszczoną w szklanym cylindrze próbkę kruszywa zalewa się 3% roztworem NaOH i po 24 godzinach porównuje się barwę roztworu nad kruszywem z barwą cieczy wzorcowej. Barwa ciemniejsza świadczy o nadmiernym zanieczyszczeniu kruszywa substancjami organicznymi.

OZNACZANIE SKŁADU ZIARNOWEGO

Metoda przesiewania

Metoda polega na rozdzieleniu materiału za pomocą zestawu sit na kilka frakcji ziarnowych, klasyfikowanych wg zmniejszających się wymiarów.

Wymiary otworów i liczbę sit dobiera się w zależności od rodzaju próbki i wymaganej dokładności. Do oznaczenia należy stosować tylko sita z kwadratowymi otworami o wymiarach: 0,063mm; 0,125mm; 0,250mm; 0,500mm; 1mm; 2mm; 4mm; 8mm; 16mm; 31,5mm; 63mm; 125mm. Sita, w których wymiary otworów wynoszą 4mm i więcej powinny być wykonane z perforowanych płyt o otworach kwadratowych (jednakowych, symetrycznie

rozmieszczonych). Sita badawcze o otworach mniejszych niż 4mm powinny być plecione z drutu.

Oznaczanie przeprowadza się na próbce analitycznej wysuszonej do stałej masy (M₁) poprzez jej ogrzewanie w temp. (110±5)ºC. Badanie może być wykonywane dwiema metodami: na mokro (przemywanie) i na sucho (przesiewanie).

Przemywanie ma na celu zbadanie ilości pyłów. Umieszczoną w pojemniku próbkę kruszywa zalewamy wodą i mieszamy intensywnie w celu całkowitego odprowadzenia pyłów do zawiesiny. Zwilżamy obie strony sita o otworach 63μm (przeznaczonego wyłącznie do tego badania) i nakładamy na wierzch sito ochronne (np. 1mm lub 2mm). Wlewamy zawartość pojemnika na górne sito i kontynuujemy przemywanie do czasu, aż woda przepływająca przez sito 63μm będzie klarowna. Pozostałość na sicie 63μm suszymy w temp. (110±5)ºC do stałej masy, ochładzamy, ważymy i zapisujemy jako (M₂).

W metodzie przesiewania przemyty i wysuszony materiał (lub bezpośrednio suchą próbkę) na zestaw sit złożony z kilku sit zmontowanych, ułożonych od góry do dołu wg malejących wymiarów oraz denka i pokrywy.

Zestaw sit wstrząsamy mechanicznie lub ręcznie. Proces przesiewania może być uznany za zakończony, gdy masa zatrzymywanego materiału nie zmienia się więcej niż o 1,0% po 1 min przesiewania.

Następnie ważymy materiał pozostający na sicie o największych wymiarach otworów i zapisujemy jego masę jako R₁.Tę samą operację powtarzamy dla sita położonego niżej i zapisujemy jego masę jako R₂. Kontynuujemy tę samą operację dla wszystkich sit zestawu w celu uzyskania mas pozostających na poszczególnych sitach i zapisujemy te masy jako R₃, R₄,

R₅,..., R_n. Na koniec ważymy przesiany materiał pozostający na denku i zapisujemy jego masę jako P.

Obliczmy masy pozostające na każdym sicie w procentach w stosunku do suchej masy M₁, następnie obliczamy procentową zawartość wyjściową suchej masy kruszywa przechodzącej przez każde sito z wyjątkiem masy przechodzącej przez sito 63μm. Procentową zawartość pyłów (f) przechodzących przez sito 63μm obliczamy ze wzoru:

[%]

gdzie:

M₁ - masa suchej próbki analitycznej, w kilogramach

M₂ - masa suchej pozostałości na sicie 63μm, w kilogramach

P - masa przesianego materiału znajdującego się na denku, w kilogramach.

Jeżeli suma mas R_i, M₂ i P różni się więcej niż 1% od masy M₁, badanie należy powtórzyć.

OZNACZANIE GĘSTOŚCI NASYPOWEJ

Gęstość nasypowa - stosunek masy próbki do jej objętości wraz z porami w ziarnach oraz przestrzeniami międzyziarnowymi. Jest to wielkość charakteryzująca wszelkie materiały sypkie. Określa się ją w stanie luźnym i zagęszczonym.

Gęstość nasypowa w stanie luźnym

Cylinder o masie (m₁) i objętości (V) wypełnia się kruszywem sypanym czerpakiem opartym o górną krawędź aż do przesypania, przy czym krawędź czerpaka nie powinna w żadnym przypadku znaleźć się wyżej niż 50 mm od brzegu pojemnika. Po ostrożnym usunięciu nadmiaru kruszywa za pomocą stalowego zgarniaka należy zważyć wypełniony kruszywem cylinder (m₂) z dokładnością do 0,1%.

Gęstość nasypową w stanie luźnym ρ_b oblicza się ze wzoru :

ρ_b=
[Mg/m³]

gdzie:

ρ_b - gęstość nasypowa w stanie luźnym, w megagramach na metr sześcienny

m₁ - masa pustego pojemnika, w kilogramach

m₂ - masa pojemnika z próbką do badania, w kilogramach

V - pojemność pojemnika, w litrach.

Gęstość nasypowa w stanie zagęszczonym

Wypełniony kruszywem cylinder należy postawić na stoliku wibracyjnym i wibrować przez 3 minuty, następnie uzupełnić kruszywo z „nadmiarem” i wibrować jeszcze przez 1 minutę. Po zakończeniu wibrowania usuwa się nadmiar kruszywa, wyrównując powierzchnię i waży cylinder wypełniony kruszywem (m₃).

Gęstość nasypową w stanie zagęszczonym ρ_bz oblicza się ze wzoru :

ρ_bz=
[Mg/m³]

gdzie:

ρ_bz - gęstość nasypowa w stanie zagęszczonym, w megagramach na metr sześcienny

m₁ - masa pustego pojemnika, w kilogramach

m₃ - masa pojemnika z próbką po zagęszczaniu, w kilogramach

OZNACZANIE JAMISTOŚCI

Jamistość -objętość wolnych przestrzeni między ziarnami kruszywa znajdującego się w pojemniku, obliczona zgodnie ze wzorem:

v=

gdzie:

v - jamistość wyrażona w procentach

ρ_b - gęstość nasypowa w stanie luźnym, w megagramach na metr sześcienny

ρ_p - gęstość cząstek wysuszonych w suszarce lub wstępnie suszonych, w megagramach na metr sześcienny.

OZNACZANIE GĘSTOŚCI OBJĘTOŚCIOWEJ (POZORNEJ) I GĘSTOŚCI

Gęstość objętościowa (pozorna) - jest to stosunek masy kruszywa w stanie suchym do jego całkowitej objętości wraz z porami wewnętrznymi, bez przestrzeni międzyziarnowych.

Gęstość - jest to stosunek masy kruszywa w stanie suchym (dopuszcza się również badanie na próbkach powierzchniowo osuszonych lub nasyconych do stałej masy) do jego objętości (bez przestrzeni międzyziarnowych i porów wewnątrz ziaren).

W zależności od wielkości ziaren kruszywa i od jego rodzaju badania te wykonuje się jedną z siedmiu metod opisanych w normie (PN-EN 1097-6 Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw - część 6). Jest to kilka wariantów metody „drucianego kosza” i metody piknometrycznej.

Przykładowo dla kruszywa o wymiarach ziaren od 31,5 mm do 63 mm stosuje się metodę drucianego kosza. Przygotowaną próbkę umieszcza się w drucianym koszu i zanurza w wodzie o temp. (22±3)°C tak, aby woda sięgała co najmniej 50 mm powyżej górnej części kosza. Niezwłocznie po zanurzeniu podnieść kosz na wysokość 25 mm ponad podstawę zbiornika i ponownie zanurzyć 25 razy, z częstotliwością jedno zanurzenie na sekundę. Kosz z kruszywem pozostawić całkowicie zanurzony w wodzie przez (24±0,5) h. Następnie potrząsnąć koszem z próbką i zważyć w wodzie (na wadze hydrostatycznej) . Zapisać masę (M₂) i temperaturę wody. Kruszywo usunąć z kosza i umieścić na suchej ściereczce, w razie potrzeby przenieść na drugą suchą ściereczkę i pozostawić na powietrzu, z dala od słońca lub innego źródła ciepła, do czasu , aż dostrzegalna błonka wody zostanie usunięta, lecz kruszywo zachowa jeszcze wilgotny wygląd. Zważyć kruszywo (M₁). Pusty kosz umieścić w wodzie potrząsając 25 razy i zważyć (M₃).

Kruszywo umieścić w suszarce w temperaturze (110±5)°C do osiągnięcia stałej masy (M₄).

Gęstość objętościową obliczamy ze wzoru:

Gęstość (ziaren wysuszonych w suszarce) obliczamy ze wzoru:

Gęstość (ziaren nasyconych i powierzchniowo osuszonych) obliczamy ze wzoru:

gdzie:

M₁ - masa nasyconego i powierzchniowo osuszonego kruszywa, w gramach;

M₂ - masa objętościowa kosza z nasyconym kruszywem w wodzie, w gramach;

M₃ - masa objętościowa pustego kosza w wodzie, w gramach;

M₄ - masa wysuszonej w suszarce próbki kruszywa, w gramach;

ρ_b - gęstość wody w temperaturze zapisanej podczas oznaczania M₂, w megaramach na metr sześcienny.

Gęstości obliczamy z dokładnością do 0,01 Mg/m³

OZNACZANIE KSZTAŁTU ZIAREN

Ziarno nieforemne charakteryzuje się wskaźnikiem kształtu (stosunek długości dwóch boków o skrajnych wymiarach) większym niż 3. Pomiary ziaren wykonuje się za pomocą suwmiarki Schultza. Wynikiem badania jest procentowy wskaźnik kształtu:

gdzie:

M₁ - masa próbki analitycznej, w gramach

M₂ - masa ziaren nieforemnych, w gramach

Wskaźnik ten wywiera wpływ na większość cech eksploatacyjnych betonu, zwłaszcza mrozoodporność i wodoszczelność. Szkodliwy wpływ ziaren nieforemnych uwidacznia się w:

• konieczności zwiększania zawartości cementu w betonie, ze względu na mniej szczelne układanie się w stosie kruszywowym niż ziarna krępe oraz ze względu na większy moduł powierzchniowy kruszywa (stosunek powierzchni do objętości)

• posiadaniu wyższego wskaźnika rozkruszenia niż ziarna krępe

• układaniu się poziomo ziaren płaskich w mieszance betonowej, co powoduje gromadzenie się pod nim wody oraz pustek powietrznych.

OZNACZANIE SZCZELNOŚCI

Polega na obliczeniu stosunku objętości materiału szczelnego do całkowitej objętości próbki kruszywa, czyli obliczeniu ilorazu gęstości pozornej i gęstości. Dla kruszyw nieporowatych szczelność s = 1.

OZNACZANIE POROWATOŚCI

Polega na obliczeniu stosunku objętości porów ziaren kruszywa do całkowitej objętości próbki kruszywa

gdzie:

ρ - gęstość

ρ_a - gęstość objętościowa (pozorna)

s - szczelność

OZNACZENIE NASIĄKLIWOŚCI

Nasiąkliwość jest to zdolność kruszywa do chłonięcia wody. Cechę tę bada się dla kruszyw grubych.

Próbkę kruszywa należy umieścić w koszu drucianym w wodzie o temperaturze (22±3)°C tak, aby woda sięgała co najmniej 50 mm powyżej górnej części kosza. Niezwłocznie po zanurzeniu podnieść kosz na wysokość 25 mm ponad podstawę zbiornika i ponownie zanurzyć 25 razy, z częstotliwością jedno zanurzenie na sekundę. Kosz z kruszywem pozostawić całkowicie zanurzony w wodzie przez (24±0,5) h. Po 24 h kruszywo usunąć z kosza i umieścić na suchej ściereczce, w razie potrzeby przenieść na drugą suchą ściereczkę i pozostawić na powietrzu, z dala od słońca lub innego źródła ciepła, do czasu , aż dostrzegalna błonka wody zostanie usunięta, lecz kruszywo zachowa jeszcze wilgotny wygląd. Zważyć kruszywo (M₁).

Kruszywo umieścić w suszarce w temperaturze (110±5)°C do osiągnięcia stałej masy (M₄).

OZNACZANIE WILGOTNOŚCI

Wilgotność jest to zawartość wody w masie kruszywa, możliwa do usunięcia w procesie suszenia.

Próbkę analityczną o znanej masie (M₁) suszymy w suszarce w temperaturze (110±5)°C do uzyskania stałej masy (M₃)

OZNACZANIE MROZOODPORNOŚCI

Mrozoodporność - odporność ziaren kruszywa na niszczące działanie wielokrotnego zamrażania i rozmrażania kruszywa nasyconego wodą. Nie oznacza się mrozoodporności kruszyw drobnych (próbkę należy przesiać przez sito #4mm). Zalecane wymiary frakcji powinny być zawarte w przedziale od 8mm do 16 mm. Do badania należy użyć trzech pojedynczych próbek.

Zasada metody.

Próbka analityczna kruszywa jednofrakcyjnego nasączana wodą w warunkach ciśnienia atmosferycznego jest poddawana 10 cyklom zamrażania i rozmrażania. Cykl obejmuje zamrażanie pod wodą do temperatury -17,5°C, a następnie rozmrażane w kąpieli wodnej, w temperaturze około 20°C. Po wykonaniu wymaganej liczby cykli zamrażania i rozmrażania bada się zmiany kruszywa (powstałe pęknięcia, straty masy i zmiany wytrzymałości).

Wykonanie badania.

Próbki do badania należy oczyścić, wysuszyć do stałej masy w temperaturze (110±5)°C, ostudzić do temperatury otoczenia i natychmiast zważyć (M₁). Tak przygotowane próbki powinny być przechowywane w warunkach ciśnienia atmosferycznego przez (24±1) h, w odpowiednich pojemnikach (metalowe wytłoczone, odporne na korozję, o gr. ścianek ok.0,6mm, o nominalnej pojemności 2000ml, wew. średnicy 120 do 140 mm i wew. wysokości odpowiednio 170 do 200 mm, wyposażone w pokrywę) w temperaturze (20±3)°C, w destylowanej lub zdejonizowanej wodzie, której poziom sięga co najmniej 10 mm nad poziom zanurzonej próbki analitycznej, przez cały okres nasączania 24 h. Pojemniki zamknąć i umieścić w zamrażarce tak, aby odległość pomiędzy pojemnikami i ścianami bocznymi zamrażarki nie była mniejsza niż 50 mm i aby pojemniki wzajemnie się nie stykały. Próbki poddać 10 cyklom zamrażania i rozmrażania.

1. Zmniejszać temp. z (20±3)°C do 0°C w czasie (150±30) min i utrzymywać temp.0°C przez (210±30) min.

2. Zmniejszać temp. z 0°C do (-17,5±2,5)°C w czasie (180±30) min i utrzymywać temp. (-17,5±2,5)°C przez minimum 240 min.

3. Na żadnym etapie badania temp. powietrza nie zmniejszać poniżej -22°C.

4. Po zakończeniu każdego cyklu zamrażania-rozmrażania zanurzyć pojemniki w wodzie o temp. ok. 20oc. Rozmrażanie uważa się za zakończone, kiedy temp. osiąga (20±3)°C.

5. Po zakończeniu każdego etapu rozmrażania pojemniki pozostawić w wodzie o temp. (20±3)°C przez ok. 10 h. Każdy pełny cykl zamrażania-rozmrażania powinien być wykonany w ciągu 24 h.

Po zakończeniu dziesiątego cyklu zawartość każdego pojemnika przenieść na sito badawcze o wymiarze otworów równym połowie dolnego wymiaru sita, stosowanego do przygotowania próbki . Przemyć i przesiać badaną próbkę ręcznie na określonym sicie. Pozostałość na sicie suszyć w temp. (110±5)°C do osiągnięcia stałej masy, następnie ochłodzić do temperatury otoczenia i natychmiast zważyć (M₂).

Obliczanie i przedstawianie wyników.

1. Oznaczanie ubytku masy, wyrażonego w procentach

Zawartość podziarna obliczyć ważąc połączone pozostałości z trzech próbek do badania i wyrazić uzyskaną masę jako procent masy połączonych próbek do badania. Wynik obliczamy ze wzoru:

gdzie:

M₁ - początkowa całkowita masa trzech wysuszonych próbek, w gramach

M₂ - końcowa całkowita masa trzech wysuszonych próbek, jaka pozostała na określonym sicie, w gramach

F - ubytek masy trzech próbek po cyklicznym zamrażaniu-rozmrażaniu, wyrażony w procentach

2. Oznaczanie spadku wytrzymałości po badaniu mrozoodporności

Obliczyć (w %) różnicę między wynikami wytrzymałości uzyskanymi dla próbek poddawanych i nie poddawanych badaniu mrozoodporności, a następnie spadek wytrzymałości (w %), z dokładnością do 0,1% ze wzoru(1) lub (2)

(1)

gdzie:

ΔS_LA - spadek wytrzymałości, w %

S_LA0 - współczynnik Los Angeles, oznaczany dla próbki przed badaniem mrozoodporności

S_LA1 - współczynnik Los Angeles, oznaczany dla próbki po badaniu mrozoodporności

(2)

gdzie:

ΔS_SZ - spadek wytrzymałości, w %

S_SZ0 - wskaźnik wytrzymałości na uderzenie, oznaczany dla próbki przed badaniem mrozoodporności

S_SZ1 - wskaźnik wytrzymałości na uderzenie, oznaczany dla próbki po badaniu mrozoodporności.

OZNACZANIE ODPORNOŚCI NA ROZDRABNIANIE

Dotyczy ono kruszywa grubego. Może być wykonywane dwoma metodami:

1. badanie metodą Los Angeles (met. zalecana) - próbka kruszywa wraz ze stalowymi kulami jest obtaczana w obracającym się bębnie (500 obrotów ze stałą prędkością 31-33 obr/min). Po zakończeniu pełnego cyklu obrotów określa się ilość materiału pozostającego na sicie 1,6 mm. Współczynnik Los Angeles (LA) oblicza się ze wzoru:

gdzie:

m - masa pozostająca na sicie 1,6 mm, w gramach

2. badanie odporności na uderzenia (met. alternatywna) - miara mechanicznej kruszywa odporności na uderzenia jest wartość (SZ). Ziarna frakcji 8-12,5 mm są kruszone w urządzeniu badawczym w wyniku 10 uderzeń z wysokości 370 mm. Stopień rozdrobnienia określany jest metodą analizy sitowej z wykorzystaniem 5 sit badawczych: 0,2 mm; 0,63 mm; 2 mm; 5 mm; 8 mm (rozpoczynając od sita 8 mm). Oblicza się % mas przechodzących przez każde z sit. Wartość odporności na uderzenia (SZ) oblicza się ze wzoru:

[%]

gdzie:

M - suma mas w % przechodzących przez każde z 5 sit badawczych.

OZNACZANIE ODPORNOŚCI NA ŚCIERANIE ABRAZYJNE PRZEZ OPONY Z KOLCAMI (BADANIE SKANDYNAWSKIE)

Próbka kruszywa o wymiarze ziaren od 11,2 do 16 mm jest obracana w stalowym bębnie razem z kulami stalowymi i wodą. Trzy żebra, zamontowane wewnątrz bębna, polepszają mieszanie ziaren kruszywa i kul stalowych. Podczas obrotów bębna zawartość ściera się. Po określonej liczbie obrotów zawartość wyjmuje się z bębna i kruszywo przesiewa się przez sita 14 mm, 8 mm, 2 mm w celu określenia zużyci wyrażającego ubytek w %.

Wartość ścieralności wg badania skandynawskiego A_N oblicza się ze wzoru:

gdzie:

m_i - początkowa masa suchej próbki do badania, w gramach

m₂ - suma mas trzech suchych frakcji, pozostających na 3 sitach (14, 8, 2 mm) po badaniu, w gramach.

BADANIA WG STAREJ NORMY PN-86/B-06712 (nieujęte w nowej normie PN-EN 12620)

OZNACZANIE WYTRZYMAŁOŚCI NA MIAŻDŻENIE

Badanie ma na celu ustalenie procentowego ubytku masy kruszywa w wyniku zmiażdżenia określoną siłą próbki kruszywa umieszczonej w sztywnym naczyniu cylindrycznym. Polega ono na zmiażdżeniu wysuszonej próbki kruszywa o masie m określoną siłą (150 kN) oraz przesianiu zmiażdżonego kruszywa przez sito kontrolne #2mm. Po skończonym przesiewie waży się pozostałość na sicie kontrolnym (m₁). Miarą wytrzymałości na miażdżenie jest wskaźnik rozkruszenia X, obliczany ze wzoru:

OZNACZANIE ŚCIERALNOŚCI

Badanie polega na określeniu ubytku masy kruszywa w wyniku wzajemnego ścierania się ziaren ( w bębnie Devala) lub w wyniku wzajemnego ścierania się ziaren z udziałem kul stalowych (w bębnie Los Angeles).

OZNACZANIE ZAWARTOŚCI ZIAREN SŁABYCH

Polega na określeniu procentowego udziału w kruszywie masy ziaren, które uległy zniszczeniu w wyniku ściskania pojedynczych ziaren miedzy dwoma sztywnymi i równoległymi płaszczyznami określoną siłą, prostopadłą do tych płaszczyzn. Ziarna, które ulegną zniszczeniu należy odrzucić, a pozostałe zważyć (m₁). Następnie oblicza się wskaźnik procentowy:

Projektowanie betonu

Kolejność czynności przy projektowaniu betonu:

1. Ustalenie danych do projektowania : przeznaczenie betonu, klasa wytrzymałości betonu, konsystencję mieszanki betonowej (uwzględniając typ konstrukcji: kształt elementu, gęstość zbrojenia i sposób zagęszczania).

2. Ustalenie jakości składników: rodzaj i klasa wytrzymałości cementu, rodzaj i uziarnienie kruszyw; zbadanie właściwości przyjętych składników; sprawdzenie ich zgodności z wymaganiami normowymi; określenie tych cech składników, które będą potrzebne do ustalenia składu mieszanki betonowej.

3. Projekt stosu okruchowego kruszywa.

4. Przyjęcie metody projektowania i wyznaczenie ilościowego składu mieszanki betonowej (u nas na 1dm³ mieszanki betonowej).

5. Wykonanie zarobu próbnego; badanie zgodności mieszanki betonowej i betonu stwardniałego z założeniami projektowymi.

W literaturze można znaleźć więcej niż sto metod projektowania betonu. My ograniczymy się do dwóch metod: metody podwójnego otulenia i metody trzech równań.

Metoda podwójnego otulenia (PO)

Metoda podwójnego otulenia została opracowana przez prof. W. Paszkowskiego w 1934r. Jest to metoda stosowana jeszcze do dziś, głównie przy projektowaniu betonów wodoszczelnych.

Istota metody

Metoda podwójnego otulenia wymaga umownego rozsegregowania kruszywa na:

• żwir: ziarna o średnicy >2mm

• piasek: średnica ziaren ≤2mm.

Zakłada się, że znane są uziarnienia obu kruszyw, a następnie przyjmuje się konsystencję mieszanki betonowej oraz klasę wytrzymałości cementu. Metoda opiera się na założeniu, że każde ziarno żwiru otulone zostaje warstewką zaprawy (pierwsze otulenie; rys.1a), a każde ziarno piasku warstewką zaczynu cementowego (drugie otulenie; rys.1b), stąd właśnie nazwa metody - podwójne otulenie.

Rys.1 Otulenie: a) ziaren żwiru warstewką zaprawy o grubości 1/2r_g,

b) ziaren piasku zaczynem cementowym o grubości 1/2r_f

Aby zrozumieć istotę tej metody, przeanalizujmy co dzieje się z 1dm³ suchego, zagęszczonego żwiru po otuleniu jego ziaren warstewką zaprawy(rys.2).

Rys.2 Zmiana objętości żwiru w wyniku otulenia warstewką zaprawy

W efekcie tego działania zamiast wyjściowej objętości 1dm³ uzyskuje się nową, zwiększoną objętość m_g×1dm³, gdzie m_g jest to wskaźnik spęcznienia żwiru, równy wzrostowi objętości 1dm³ ziaren, powstałemu w wyniku rozsunięcia ich przez warstewki zaprawy.

Analogicznie, wskaźnikiem spęcznienia piasku m_f nazywamy wzrost objętości 1dm³ ziaren piasku, powstały w wyniku rozsunięcia ich przez warstewki zaczynu.

Wielkości spęcznienia żwiru (m_g) i piasku (m_f) zależą od promieni otulenia żwiru (r_g) i piasku (r_f). Wartość promień otulenia żwiru wynosi 0,25÷3,0mm, a o doborze jego wielkości decydują warunki wykonania elementu - im prostszy kształt elementu, rzadziej ułożone zbrojenie i lepsze warunki zagęszczania, tym mniejsze wartości promienia. W przypadku piasku, o doborze promienia otulenia r_f decyduje klasa wytrzymałości cementu i jego miałkość. Dla wyższych klas i drobniej zmielonych cementów przyjmować można niższe wartości promienia.

Przed przystąpieniem do obliczenia składu mieszanki betonowej należy określić wodożądności: żwiru, piasku i cementu. Wodożądność jest to ilość wody, jakiej wymaga 1kg materiału dla uzyskania wymaganej konsystencji mieszanki betonowej. Wodożądność żwiru i piasku oblicza się jako sumy wodożądności poszczególnych frakcji. Każda frakcja kruszywa ma bowiem inny średni wymiar ziarna, a więc inną powierzchnię właściwą, w związku z tym dla uzyskania założonej konsystencji wymaga innej ilości wody. Wskaźnik wodożądności (Sterna) jest to ilość wody niezbędna do uzyskania założonej ciekłości mieszanki betonowej przez 1kg danej frakcji kruszywa. Iloczyn zawartości tej frakcji oraz odpowiedniego wskaźnika Sterna stanowi wodożądność frakcji. Suma wodożądności poszczególnych frakcji stanowi poszukiwaną wodożądność żwiru (w_g) lub piasku (w_f). Wodożądność cementu przyjmuje się z tablicy.

Obliczenie ilości składników na 1 dm³ mieszanki betonowej

Tok obliczeń jest następujący:

• ilość żwiru:

[kg]

gdzie:

ρ_nzg - gęstość nasypowa żwiru w stanie zagęszczonym

m_g - wskaźnik spęcznienia żwiru

• ilość zaprawy:

[dm³]

gdzie:

ρ_pg - gęstość pozorna żwiru

• ilość piasku:

[kg]

gdzie:

ρ_nzf - gęstość nasypowa piasku w stanie zagęszczonym

m_f - wskaźnik spęcznienia piasku

• ilość zaczynu:

[dm³]

gdzie:

ρ_pf - gęstość pozorna piasku

ρ_pk - gęstość pozorna kruszywa

• ilość wody i cementu:

[dm³]

[dm³]

[kg]

gdzie:

w_g - wodożądność żwiru

w_f - wodożądność piasku

w_c - wodożądność cementu

ρ_pc - gęstość pozorna cementu

• sprawdzenie:

[dm³]

dopuszczalna odchyłka ±0,5%

• w metodzie PO spodziewana wytrzymałość projektowanego betonu na ściskanie wynika z zaprojektowanego składu i nie jest wytrzymałość nie jest najważniejszym parametrem, metoda ta nastawiona jest na uzyskanie betonu odpowiedniej szczelności do obliczeń korzysta się z podstawowego wzoru w technologii betonu - wzoru Bolomeya, który opisuje wytrzymałość w funkcji zawartości cementu i wody

[MPa]

gdzie:

f_cm - średnia wytrzymałość betonu na ściskanie, niezbędna dla uzyskania betonu o odpowiedniej wytrzymałości charakterystycznej (f_ck) wyliczanej ze wzoru

[MPa]

A_1/2 - współczynniki zależne od rodzaju kruszywa grubego oraz klasy wytrzymałości cementu; jeżeli C/W<2,5 należy przyjąć stałą A₁ i znak „-” w nawiasie; jeżeli C/W≥2,5 - stałą A₂ i znak „+” w nawiasie

W przypadku, gdy ze wzoru Bolomeya wynika zbyt niska w stosunku do wymagań konstrukcyjnych wytrzymałość betonu, należy zwiększyć promień otulenia piasku (r_f) i ponownie wykonać obliczenia.

Gdyby uzyskana w wyniku obliczeń ilość cementu przekraczała wielkość dopuszczalną, należałoby przyjąć mniejszy r_f i ponownie wykonać obliczenia. Należy również zwrócić uwagę, czy wyliczona ilość cementu nie jest mniejsza od ilości minimalnej. Obydwie wartości maksymalna i minimalna przyjmowane są wg normy PN-EN 907-1 w zależności od klas ekspozycji betonu.

• obliczenie gęstości teoretycznej

[kg/dm³]

Metoda trzech równań (3R)

Metoda ta stosowana jest w przypadku, gdy kruszywo traktuje się jako całość nie rozdzielając w obliczeniach na drobne i grube. Można tak postępować, jeśli kruszywo zostanie ocenione jako dopuszczalne do zastosowania.

Projektowanie betonu metodą 3R polega na obliczeniu trzech poszukiwanych wartości, tj. ilości cementu, kruszywa i wody w kg/m³ mieszanki betonowej dzięki wykorzystaniu podstawowych równań, tj. wytrzymałości, konsystencji i szczelności.

• warunek wytrzymałości - ujęty we wzorze Bolomeya (doświadczalnie ustalona zależność wytrzymałości na ściskanie betonu stwardniałego od klasy zastosowanego cementu, rodzaju zastosowanego kruszywa i wskaźnika C/W charakteryzującego zaczyn cementowy)

[MPa]

W tej metodzie klasę betonu, jaką chcemy uzyskać zakładamy na początku projektu.

• warunek konsystencji - ujęty we wzorze na ilość wody niezbędnej do sporządzenia mieszanki betonowej o wymaganej konsystencji

[dm³]

• warunek szczelności - ujęty wzorem absolutnych objętości, który wskazuje, że szczelną mieszankę betonową uzyskuje się jeżeli suma objętości poszczególnych składników jest równa objętości mieszanki betonowej

[dm³]

Powyższy układ równań z trzema niewiadomymi pozwala obliczyć poszukiwane ilości: cementu C, kruszywa K i wody W w 1 m³ betonu. Układ ten jest słuszny pod warunkiem przyjęcia założenia, że w betonie nie ma pęcherzyków powietrza (p=0).

Projekt stosu okruchowego polega na znalezieniu proporcji zmieszania kruszywa drobnego K₁ i kruszywa grubego K₂. Najczęściej z góry zadany jest (lub przyjmowany na podstawie literatury) w projektowanym stosie okruchowym tzw. punkt piaskowy P, czyli procentowa zawartość ziaren o średnicy do 2 mm. Oznacza to, że nie znając jeszcze proporcji zmieszania obu kruszyw, a więc ich krzywej przesiewu, znany jest jeden punkt na tej krzywej - wielkość przejścia przez sito #2 mm. Obliczenie proporcji zmieszania prowadzi się za pomocą wzoru:

gdzie:

P₁, P₂ - punkty piaskowe kruszywa drobnego i grubego.

Poszukiwane udziały kruszywa drobnego K₁ i grubego K₂ wyznacza się z następującego układu równań:

[%]

[%]

Rozwiązaniem tego układu równań są wzory:

[%]

[%]

W metodzie 3R z góry zakłada się klasę betonu, konsystencję, klasę wytrzymałości cementu, uziarnienie kruszywa drobnego oraz rodzaj i uziarnienie kruszywa grubego.

Tok obliczeń przedstawia się następująco:

• oznaczenie wskaźnika cementowo-wodnego C/W jako N; w przypadku zadanej klasy betonu oblicza się jego wielkość korzystając przekształcenia wzoru Bolomeya dla C/W<2,5:

• jeżeli wyliczone N spełnia nierówność C/W<2,5, można przejść do dalszych obliczeń; jeżeli nierówność nie jest spełniona, należy skorzystać z przekształcenia wzoru Bolomeya dla C/W≥2,5

• oblicza się łączną zawartość kruszywa K=K₁+K₂ w 1 dm³ betonu, korzystając ze wzoru:

[kg/m³]

• następnie wylicza się udział procentowy kruszywa drobnego K₁ i K₂

• oblicza się ilość wody zarobowej

[kg/m³]

• oblicza się zawartość cementu

[kg/m³]

• sprawdzenie obliczeń polega na wstawieniu wyliczonych ilości składników do wzoru absolutnych objętości; dopuszczalny błąd wynosi ±5 dm³

• obliczenie wytrzymałości ze wzoru Bolomeya

• obliczenie gęstości pozornej teoretycznej ze wzoru:

[kg/m³]

• obliczenie ilości zaprawy w 1 m³ mieszanki betonowej

[dm³/m³]

gdzie:

K' - ilość piasku zawartego w kruszywie, obliczana ze wzoru:

[kg]

BETON STWARDNIAŁY - definicje, badania. (wg PN-EN 206-1)

Beton - materiał powstały ze zmieszania kruszywa grubego, drobnego, cementu i wody oraz ewentualnych domieszek i dodatków, który uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratacji cementu.

Beton stwardniały - beton, który jest w stanie stałym i który osiągnął pewien poziom wytrzymałości.

Beton zwykły - beton o gęstości w stanie suchym większej niż 2000 kg/m³ , ale nie przekraczającej 2600 kg/m³.

Beton lekki - beton o gęstości w stanie suchym nie mniejszej niż 800 kg/m³ i nie większej niż kg/m³, produkowany z zastosowaniem wyłącznie lub częściowo kruszywa lekkiego.

Beton ciężki - beton o gęstości w stanie suchym większej niż 2600 kg/m³.

Beton projektowany - beton, którego wymagane właściwości i dodatkowe cechy są podane producentowi, odpowiedzialnemu za dostarczenie betonu zgodnego z wymaganymi właściwościami i dodatkowymi cechami.

Beton recepturowy - beton, którego skład i składniki, jakie powinny być użyte, są podane producentowi odpowiedzialnemu za dostarczenie betonu o tak określonym składzie.

Wytrzymałość charakterystyczna - wartość wytrzymałości poniżej której może znaleźć się

5% populacji wszystkich możliwych oznaczań wytrzymałości dla danej objętości betonu.

Wytrzymałość na ściskanie.

Jest to podstawowa cecha betonu stwardniałego. Badamy ją na próbkach sześciennych lub walcowych po 28 dniach dojrzewania.

Wytrzymałość na ściskanie badanej próbki oblicza się za wzoru:

[MPa]

gdzie:

ω - współczynnik przeliczeniowy wytrzymałości ze względu na wymiary próbek (dla 10cm - 0,90)

F - największe obciążenie przeniesione przez próbkę w kN

A - powierzchnia próbki w m²

Zgodność wytrzymałości na ściskanie ocenia się dla:

• wartości średniej (f_cm ) zbioru ”n” nie pokrywających się lub pokrywających się kolejnych wyników badań - tzw. Kryterium 1,

• każdego pojedynczego wyniku (f_ci ) - tzw. Kryterium 2.

Zgodność uznaje się za potwierdzoną, jeśli obydwa kryteria są jednocześnie spełnione w myśl wymagań:

Dla n = 3

• 
  (kryterium 1)

• 
  (kryterium 2)

Nasiąkliwość betonu - stosunek masy wody, jaką zdolny jest wchłonąć beton do jego masy w stanie suchym. Badamy ją na próbkach po 28 dniach dojrzewania. Próbki układamy na podpórkach i zalewamy wodą do ½ wysokości, po 24 godzinach dolewamy wody na wysokość 10 mm ponad górną powierzchnię próbek. Co 24 godziny wyjmuje się próbki z wody, powierzchniowo osusza i waży. Gdy dwa kolejne ważenia nie wykazują przyrostu masy (G₂), nasycone wodą próbki umieszcza się w suszarce i suszy do stałej masy (G₁).

Nasiąkliwość obliczamy ze wzoru:

[%]

Wg PN - 88/B - 06250 Beton zwykły nasiąkliwość betonów nie powinna być większa niż:

• 5% w przypadku betonów narażonych bezpośrednio na działanie czynników atmosferycznych

• 9% w przypadku betonów osłoniętych przed bezpośrednim działaniem czynników atmosferycznych.

Mrozoodporność betonu - odporność betonu na działanie mrozu, badana na próbkach po 28 dniach dojrzewania, nasyconych wodą i poddawanych naprzemiennie cyklom zamrażania i rozmrażania.

Wg PN - 88/B - 06250 Beton zwykły wyróżnia się kilka stopni mrozoodporności betonu: F25, F50, F75, F100, F150, F200 i F300. Liczba w symbolu oznacza wymaganą liczbę cykli zamrażania i rozmrażania nasyconych wodą próbek betonowych, przyjmowaną w zależności od przewidywanej liczby lat użytkowania konstrukcji i narażenia na działanie mrozu. Stopień mrozoodporności jest osiągnięty jeżeli po wymaganej w jego symbolu liczbie cykli zamrażania i rozmrażania ubytek masy badanych próbek jest nie większy niż 5% i spadek wytrzymałości jest nie większy niż 20%.

Odporność betonu na przepuszczalność wody - wg PN-EN 12390-8:2001 Badania betonu. Część 8: Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem polega na pomiarze głębokości penetracji wody, pod stałym ciśnieniem 0,5 MPa, działającym przez okres trzech dób. Wynik podawany jest z dokładnością do 1 mm.

Wg PN - 88/B - 06250 Beton zwykły wyróżnia się kilka stopni wodoszczelności betonu: W2, W4, W6, W8, W10 i W12 w zależności od wskaźnika ciśnienia (stosunek słupa wody w metrach do grubości przekroju w metrach) i warunków wodnych. Liczba oznacza dziesięciokrotną wielkość ciśnienia słupa wody w MPa, oddziałującego na próbki betonowe. Ciśnienie wody działającej na próbkę podwyższa się skokowo co 24 godziny o wartość 0,2 MPa; końcowe ciśnienie, odpowiadające żądanemu stopniowi wodoszczelności, należy utrzymywać również przez 24 godziny. Należy odnotować ciśnienie, przy którym wystąpią pierwsze oznaki przeciekania wody. Stopień wodoszczelności został osiągnięty, jeżeli pod wymaganym ciśnieniem w czterech na sześć badanych próbek nie wystąpił przeciek wody.

BADANIA MIESZANKI BETONOWEJ

Mieszanka betonowa - całkowicie wymieszane składniki betonu, które są jeszcze w stanie umożliwiającym zagęszczenie wybraną metodą.

Konieczne jest jednorodne wymieszanie składników mieszanki betonowej przed związaniem.

Mieszankę betonową charakteryzują cztery cechy: urabialność, jednorodność, konsystencja i zawartość powietrza.

Urabialność - zdolność do łatwego i szczelnego wypełniania formy. Jest pojęciem intuicyjnym, w praktyce nie wykonuje się badań.

Jednorodność - niezmienność składu mieszanki w każdym punkcie.

Konsystencja - inaczej stopień ciekłości. W zakresie badania konsystencji mieszanki betonowej norma akceptuje cztery podstawowe, powszechnie stosowane w Europie, metody pomiarowe: metodę opadu stożka, metodę Vebe, metodę stolika rozpływowego, oraz metodę pomiaru stopnia zagęszczalności.

Wykonujemy w laboratorium ocenę konsystencji metodą opadu stożka.

Klasa	Opad stożka w mm	Według starej normy
S1	od 10 do 40	Wilgotna K-1 - nieokreślana stożkiem
S2	od 50 do 90	Gęstoplastyczna K-2 - nieokreślana stożkiem
S3	od 100 do 150	Plastyczna K-3 - opad 20-50 mm
S4	od 160 do 210	Półciekła K-4 - opad 60 do 110 mm
S5	≥220	Ciekła K-5 - opad 120-150 mm

Całkowita zawartość wody - woda dodana oraz woda już zawarta w kruszywie i znajdująca się na jego powierzchni a także woda w domieszkach i dodatkach zastosowanych w postaci zawiesin jak również woda wynikająca z dodania lodu lub naparzania.

Efektywna zawartość wody - różnica między całkowitą ilością wody w mieszance betonowej a ilością wody zaabsorbowaną przez kruszywo.

Współczynnik w/c (woda/cement) - stosunek efektywnej zawartości masy wody do zawartości masy cementu w mieszance betonowej.

Zawartość powietrza - objętość pęcherzyków powietrza w zagęszczonej mieszance, z pominięciem powietrza w porach kruszywa. Powietrze jest takim składnikiem mieszanki betonowej, który - choć nie uwzględniany na etapie projektowania - zawsze w niej występuje. Znajomość faktycznej zawartości powietrza w mieszance pozwala oszacować spowodowany przez nią spadek wytrzymałości na ściskanie. Norma opisuje dwie metody oznaczania zawartości powietrza:

• metoda słupa wody - polega na pomiarze zmian słupa wody nad badaną mieszanką, w która wtłaczana jest woda pod określonym ciśnieniem

• metoda ciśnieniomierza - polega na wprowadzeniu znanej objętości powietrza pod określonym ciśnieniem i łączeniu jej z powietrzem zawartym w mieszance. Ciśnieniomierz wskazuje wynikowe ciśnienie, które jest funkcją objętości powietrza w mieszance.

Oznaczanie gęstości mieszanki betonowej - polega na zważeniu mieszanki betonowej w pojemniku o znanej objętości i masie.

ρ_prz = m/V [kg/dm³]

gdzie: m - masa mieszanki betonowej (masa cylindra z mieszanką minus masa cylindra pustego)

V - objętość cylindra

Szczelność: s =ρ_prz / ρ_pt

Porowatość: p = (1-s)100%

19

---