Kruszywa budowlane i drogowe
Kruszywa są to materiały ziarniste (naturalne lub sztuczne, nieorganiczne lub organiczne), stosowane jako składniki zapraw betonów, bitumicznych mieszanek do budowy nawierzchni drogowych, itp. Rozróżnia się kruszywa mineralne uzyskiwane przez mechaniczną przeróbkę surowców skalnych i kruszywa sztuczne, uzyskiwane z surowców organicznych oraz z surowców mineralnych wyniku poddawania ich przemianom cieplnym i przeróbką mechanicznym.

2.1. KLASYFIKACJA KRUSZYW MINERALNYCH
Ze względu na pochodzenie i sposób uzyskiwania kruszyw dzieli się je na: mineralne i sztuczne.
W zależności od surowca skalnego i od sposobu produkowania kruszywa dzieli się na grupy: kruszywo naturalne i kruszywo łamane.
Kruszywo naturalne dzieli się na: kruszywo naturalnie niekruszone, kruszywo naturalne kruszone.
Kruszywo łamane dzieli się na: kruszywo łamane zwykłe, kruszywo łamane granulowane.
W zależności od uziarnienia kruszywo dzieli się na trzy rodzaje:
• drobne o ziarnach do
• grube o ziarnach 4-
• bardzo grube 63-
Zależnie od cech jakościowych dzieli się kruszywa na odmiany, gatunki, klasy i marki. Podział na sortymenty wynika z wymagań norm przedmiotowych. Podstawowe pojęcia, które służą jako zasady podziału:
Odmiana jest związana z zawartością w kruszywie budowlanym grudek gliny.
Gatunek jest to symbol liczbowy, określający jakość kruszywa wg norm przedmiotowych.
Klasa techniczna kruszywa jest to symbol liczbowy, określany jakością surowca skalnego, z którego jest wyprodukowane kruszywo drogowe.

Wyróżnia się następujące klasy kruszyw:

• 10, które można stosować do betonów klasy wytrzymałościowej nie większej niż C12/15,

• 20, które można stosować do betonów klasy wytrzymałościowej nie większej niż C20/25,

• 30, które można stosować do betonów klasy wytrzymałościowej nie większej niż C35/45,

• 50, które można stosować do betonów klasy wytrzymałościowej C50/60 i klas wyższych.

Marka kruszyw jest to symbol liczbowy, określający jakość kruszywa, gwarantujący otrzymanie betonu klasy, co najmniej równej tej marce.

2.2. KRUSZYWA NATURALNE
Piasek do zapraw budowlanych składa się z ziaren, których największa średnica nie powinna przekraczać .
W zależności od składu petrograficznego rozróżnia się dwie klasy petrograficzne piasków naturalnych, występujących w złożu w stanie naturalnego rozdrobienia oraz łamany, uzyskany w wyniku rozdrobienia litej skały z podaniem nazwy skały.
W zależności od składu ziarnowego rozróżnia się dwie odmiany piasków:
• o ziarnach do
• o ziarnach do .

2.3. KRUSZYWA MINERALNE DO BETONU
Rozróżnia się trzy grupy kruszyw mineralnych do betonu:
• piasek, piasek łamany
• żwir, grys, grys z otoczaków
• mieszanka kruszywa naturalnego sortowana, kruszywa łamanego i kruszywa z otoczaków.
W zależności od zawartości poszczególnych frakcji w kruszywach, dzieli się je na dwa gatunki: 1 i 2.
W zależności od przydatności do odpowiedniej klasy betonu, kruszywa grube dzieli się na cztery marki: 10; 20; 30 i 50.
Rozróżnia się cztery podstawowe klasy petrograficzne kruszywa grubego: żwir, grys ze skał magmowych i metamorficznych, grys ze skał osadowych, grys z otoczaków.
Kruszywo do betonów powinno charakteryzować się stałością właściwości fizycznych i jednorodnością uziarnienia oraz nie powinno zawierać składników szkodliwych ilości lub postaci, wywierającej wpływ na cechy betonu.
Kruszywo kamienne łamane ze skał węglanowych stosowane jest do betonów lastrykowych i suchych mieszanek zapraw do tynków. Kruszywa łamane ze skał węglanowych mogą być stosowane do betonów zwykłych.
Wytrzymałość skały węglanowej, z której uzyskuje się kruszywo nie może być mniejsza niż 40 MPa, mrozoodporność zaś bez zniszczenia powinna wytrzymać 15 cykli.

2.5. KRUSZYWA SZTUCZNE
Kruszywa sztuczne w zależności od rodzaju surowców i sposobów produkowania, dzieli się na grupy:
• kruszywa z surowców mineralnych mineralnych poddawanych obróbce termicznej. Do tej grupy należy keramzyt i glinoporyt.
• Kruszywa z odpadów przemysłowych poddawanych obróbce termicznej. W tej grupie rozróżnia się sortymenty kruszyw łupkoporytowych.
• Kruszywa z odpadów przemysłowych nie poddawane dodatkowej obróbce termicznej z sortymentami: elporytu, popiołu lotnego.
Keramzyt jest to sztuczne kruszywo lekkie, otrzymywane przez wypalanie surowców ilastych, pęczniejących pęczniejących wysokiej temp.
Glinoporyt jest to sztuczne kruszywo lekkie, otrzymywane przez spiekanie surowców ilastych i przekruszenie spieku.
Łupkoporyt jest to sztuczne tworzywo lekkie, otrzymywane przez spiekanie łupków przywęgłowych i skruszenie spieku.
Elporyt jest to sztuczne tworzywo lekkie, otrzymywane przez rozdrobnienie żużli odprowadzanych z elektrownianych palenisk pyłowych.
Łupkoporyt ze zwałów jest to sztuczne tworzywo, otrzymywane przez rozdrobnienie łupków przywęgłowych, przepalonych na zwale.
Popiół lotny powstaje ze spalania zmielonego węgla kamiennego w paleniskach elektrowni w stanie zawieszenia, a następnie jego wychwycenie z gazów spalin przy pomocy elektrofiltrów.
Kruszywa do betonów lekkich, w zależności od rodzaju surowców użytych do produkcji i metody produkcji dzieli się na trzy grupy.
W zależności od granic uziarnienia dzieli się kruszywa na rodzaje, frakcje lub grupy frakcji.
W zależności od gwarantowanej wytrzymałości betonu wykonywanego z danego kruszywa dzieli się kruszywa na marki: 2,5; 7,5; 15,0 i 25,0.Wg właściwości fizycznych i składu chemicznego dzieli się je na dwa gatunki.
Kruszywo z kawałkowego żużla wielkopiecowego otrzymuje się z zastygłej lawy wielkopiecowej.
Zależnie od uziarnienia kruszywo dzieli się na frakcje lub grupy frakcji, że wzgl. zaś na cechy fizyczne kruszywo żużlowe dzieli się na swa gatunki.
Do produkcji kruszywa może być stosowany żużel kwaśny. Gęstość objętościowa żużlu wynosi nie mniej niż 2,5 kg/dm3. Kruszywo z kawałkowego żużla wielkopiecowego o uziarnienia 4- jest stosowane do betonów klas nie wyższych niż B 25, kruszywo o uziarnieniu 0- do produkcji drobnowymiarowych elementów betonowych z betonu klas nie wyższych niż B 10, kruszywo zaś o uziarnieniu 0-31,5 – do robót drogowych.
Kruszywa specjalne produkowane są z odruchów bardzo twardych kamienia naturalnych
(kwarcyt, krzemień) lub sztucznych ( stopy mineralne, porcelana, sztuczny korund, karborund). Służą one do produkcji betonu o wysokiej wytrzymałości na ściskanie, odpornego na ściskanie i uderzenia. Ścieralność na tarczy takich betonów wynosi 0,07-. Cechy te osiąga beton dzięki wysokim właściwościom wytrzymałościowym i fizycznym składników kruszywa, dobranych wg krzywej uziarnienia, zapewniających zwartość stosu okruchowego, oraz dzięki reakcji chemicznej zachodzącej między produktami hydratacji i hydrolizy cementu i kruszywa. Kruszywa utwardniające stosuje się do betonowych powierzchni, narażonych na ścierani, uderzenia, a więc do podłóg, stopni schodowych, ramp, płyt chodnikowych, podpór mostowych, ścian skarbców bankowych,
itp.

Adhezja asfaltu – czyli jego przyleganie do ziaren kruszywa – jest zjawiskiem powierzchniowym i zależy od dokładnego kontaktu obu materiałów oraz od wzajemnego powinowactwa ich powierzchni. Niedostateczna adhezja, czyli słabe przyleganie asfaltu do ziaren kruszywa, jest główną przyczyną uszkodzeń nawierzchni drogowej.

Rozróżnia się dwa rodzaje adhezji:

1)

adhezję bierną – oznaczającą zdolność asfaltu do zwilżania suchego kruszywa; wówczas kąt zwilżania pomiędzy kruszywem a asfaltem wynosi 90÷180°. Przypadek ten zachodzi podczas wykonywania mieszanek mineralno-asfaltowych metodami „na gorąco” (kruszywo jest suszone i ogrzewane, a następnie mieszane z asfaltem w temperaturze 140÷180°C – w zależności od rodzaju asfaltu). W tej sytuacji przyczepność uzależniona jest od porowatości i szorstkości kruszywa oraz od lepkości asfaltu. Po wbudowaniu w nawierzchnię, suche kruszywo otoczone asfaltem może być odmywane z powierzchni przez wodę. Wprowadzenie odpowiedniej ilości środka adhezyjnego wzmacnia adhezję bierną,

2)

adhezję czynną – oznaczającą zdolność asfaltu do otaczania wilgotnego kruszywa. Asfalt może wyprzeć wodę z powierzchni kruszywa tylko wówczas, gdy kąt zwilżania na granicy faz będzie mniejszy od 90°. Sytuacja taka występuje w technologiach „na zimno”, gdy wilgotne kruszywa otaczane są emulsją asfaltową lub upłynnionym asfaltem

Czynniki wpływające na adhezję:

Frakcja (budownictwo) - przy określaniu uziarnienia kruszywa - grupa ziaren o wymiarach ograniczonych dwoma kolejnymi sitami specjalistycznego, znormalizowanego zestawu do badania krzywej uziarnienia.

Podział frakcji (podane średnice - zgodnie z normami budowlanymi PN-B-02480:1986 oraz PN-B-02481:1998):

• frakcja kamienista f_k - średnica ziaren powyżej 40 mm

• frakcja żwirowa f_ż - średnica ziaren od 2,0 mm do 40,0 mm

• frakcja piaskowa f_p - średnica ziaren od 0,05 mm do 2,0 mm

• frakcja pyłowa f_π - średnica ziaren od 0,002 mm do 0,05 mm

• frakcja iłowa f_i - średnica ziaren poniżej 0,002 mm

W zależności od procentowej zawartości poszczególnych frakcji wprowadzony został podział gruntów ze względu na ich uziarnienie.
Wśród gruntów niespoistych rozróżnia się:

• Pospółki i pospółki gliniaste

• Żwiry i żwiry gliniaste

• Piaski (grube, drobne, średnie i pylaste)

Wśród gruntów spoistych:

• Piaski gliniaste

• Pyły i pyły piaszczyste

• Gliny: gliny piaszczyste, gliny, gliny pylaste

• Iły: iły piaszczyste, iły, iły pylaste

Cechy techniczne oraz zastosowanie kruszyw sztucznych.

Kruszywa sztuczne dzielimy na grupy w zależności od rodzaju surowców i sposobów produkowania:

- Kruszywa z surowców mineralnych i poddawanych obróbce termicznej. Do nich zaliczamy keramzyt – najlżejsze kruszywo – i glinoporyt.

- Kruszywa z odpadów przemysłowych poddawanych obróbce termicznej – asortymenty kruszyw łupkoporytowych.

- Kruszywa z odpadów przemysłowych nie poddawane dodatkowej obróbce termicznej z asortymentami: elporytu i popiołu lotnego.

Ze względu na wielkość ziaren rozróżnia się kruszywa drobne o ziarnach 0-4mm i kruszywa grube o ziarnach 4-63mm. Poniżej podaje się określenia lekkich kruszy sztucznych, dostępnych w Polsce.

Keramzyt jest to sztuczne kruszywo lekkie, otrzymywane przez wypalanie surowców ilastych, pęczniejących w wysokiej temperaturze.

Glinoporyt jest to sztuczne tworzywo lekkie, otrzymywane przez spiekanie surowców ilastych i przekruszenie spieku.

Łupkoporyt jest to sztuczne kruszywo lekkie, otrzymywane przez spiekanie łupków przywęglowych i przekruszenie spieku.

Łupkoporyt ze zwałów jest to sztuczne kruszywo, otrzymywane przez rozdrobnienie łupków przywęglowych, przepalonych na zwale.

Popiół lotny powstaje ze spalania zmielonego węgla kamiennego w paleniskach elektrowni w stanie zawieszenia, a następnie jego wychwycenie z gazów spalinowych przy pomocy elektrofiltrów.

Kruszywa do betonów lekkich, w zależności od rodzaju surowców użytych do produkcji i metody produkcji dzielimy na 3 grupy:

- W zależności od granic uziarnienia dzielimy kruszywa na frakcje i rodzaje

- W zależności od gwarantowanej wytrzymałości betonu wykonanego z danego kruszywa dzielimy je na marki: 2,5; 7,5; 15; 25.

- Według właściwości fizycznych i składu chemicznego dzielimy je na dwa gatunki mieszankę drobną (0-4mm) o trzech odmianach i grube (4-31,5mm) jednofrakcyjne.

Oznaczanie gęstości

- przeprowadza się - zależnie od stopnia wymaganej dokładności - w piknometrze (pomiar dokładny) lub w objętościomierzu Le Chateliera (pomiar przybliżony).

Przed przystąpieniem do oznaczania gęstości należy przygotować próbkę materiału.W tym celu z różnych miejsc danego materiału odłupuje sie kawałki (okruchy) o łącznej masie ok. 500 g. Całą próbkę rozciera się na proszek i przesiewa przez sito tkane o wymiarze boku oczka 0,5 mm. Po dokładnym wymieszaniumasę próbki, zmniejszonej przez kwartowanie (ćwiartowanie) do ok. 130 g proszku, ponownie się rozdrabnia, tak aby całość przeszła przez sito o boku oczka 0,08 mm. Następnie po wsypaniu próbki do parownicy suszy sie ją w suszarce w temperaturze 105 ÷ 110 °C do stałej masy. Po ostygnięciu proszek wsypuje się małymi porcjami do objętościomierza Le Chateliera napełnionego benzenem lub spirytusem skażonym. Ciecz przed wsypaniem proszku powinna sięgać poziomu zerowego. Proszek wsypuje sie tak długo, aż ciecz osiągnie poziom 20 cm³. Pozostałość proszku się waży i z różnicy mas określa się ilość proszku wsypanego do objętościomierza. Ze stosunku masy wsypanego proszku do jego objętości "absolutnej" wyznacza się wartość gęstości.
Należy wykonać dwa oznaczenia i za wynik badania przyjąć średnią arytmetyczną z tych oznaczeń. Różnica pomiędzy wynikami dwóch oznaczeń, które podlegają uśrednieniu nie powinna być większa niż 0,02 g/cm³.

Gęstość objętościowa

Gęstość objętościową, czyli masę jednostki objętości materiału wraz z zawartymi w niej porami (w stanie naturalnym), określa się wzorem

, kg/m³

gdzie: m – masa suchej próbki materiału, kg

V_o – objętość próbki materiału wraz z porami (w stanie naturalnym), m³

Wartość gęstości objętościowej zależy od struktury materiału. W przypadku większości materiałów jest mniejsza od gęstości

Gęstość nasypowa

Gęstość nasypowa jest to masa jednostki objętości materiału sypkiego w stanie luźnym. Do oznaczania jej stosuje się objętościomierze o różnej pojemności naczyń pomiarowych (najczęściej cylindrów metalowych), zależnie od rodzaju kruszywa. Warunki techniczne oznaczania gęstości nasypowej określa norma PN-EN 1097-3:1998

Krzywa uziarnienia (krzywa składu ziarnowego) na podstawie wykonanej wcześniej analizy sitowej, nanoszone są jej wyniki na specjalną siatkę półlogarytmiczną. W wyniku czego otrzymujemy ciągłą krzywą uziarnienia dla danego kruszywa lub mieszanki mineralnej - inaczej mówiąc: graficzne przedstawienie uziarnienia.

Analiza sitowa – metoda badawcza polegająca na rozdziale materiału (gruntu, mieszanki mineralnej) na frakcje zawierające ziarna o różniej wielkości, poprzez przesiewanie przez zestaw sit, w wyniku czego ziarna o odpowiednich średnich pozostają na kolejnych sitach (o coraz mniejszych oczkach). Po zważeniu poszczególnych klas ziarnowych określa się ile procent materiału pozostało na każdym sicie w stosunku do całości materiału.

Analizę sitową wykonuje się ją używając sit o średnicach oczek dobranych odpowiednio do przesiewanego materiału. Norma^[1] podaje stosowane dla sit wymiary boczków oczek kwadratowych:
40 mm, 25 mm, 10 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm, 0,1 mm (dla materiałów zawierających kruszywo, kamienie, żwir, piasek lub inne grubsze ziarna) czy też 0,071 mm lub 0,063 mm (dla bardziej drobnioziarnistych materiałów takich jak mączka kwarcowa, piaski z pyłami); dopuszcza się zastąpienie sit 0,071 i 0,063 mm sitami o wymiarach oczek 0,074 i 0,06 mm. W różnych działach nauki i gospodarki mogą być używane sita o nieco różniących się średnicach oczek.

Analizę sitową można przeprowadzić 2 metodami:

• na sucho (najczęściej) - dla gruntów i kruszyw nie zawierających grudek gliny lub ziaren oblepionych gliną.

• na mokro - dla materiałów zawierających grudki gliny lub ziarna oblepione gliną lub pyłem, a także dla materiałów zawierających dużą liczbę bardzo drobnych ziaren, które przy przesiewaniu na sucho mogą pylić.

Oznaczenie składu ziarnowego kruszywa.

Oznaczenie składu ziarnowego kruszywa polega na rozdzieleniu kruszywa na frakcje za pomocą sit, a następnie ustaleniu procentowego udziału mas poszczególnych frakcji w masie próbki kruszywa. Wymiary kwadratowych otworów sit w zestawie sit kontrolnych były następujące: 0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 8; 16; 31,5mm. Ze średniej próbki laboratoryjnej należy pobrać próbkę analityczną, i wysuszyć do stałej masy w temp. 105-110⁰C, ostudzić i odważyć próbkę do analizy sitowej.

Żużle

Żużle powstające w metalurgiiżelaza i stali są intensywnie przerabianena kruszywa od połowy lat 90. ubiegłego wieku. Producenci kruszyw hutniczych oferują kruszywa łamane, powstające z bieżącej produkcji żelaza i stali.Są to: żużle wielkopiecowe, stalownicze żużle konwertorowe oraz żużle stalownicze powstające w piecach elektrycznych. Żużle te, zgodnie z aktualnymi przepisami ochrony środowiska, są składowane selektywnie, co pozwala na wytwarzanie kruszyw o jednorodnych cechach materiałowych.

Generalnie rzecz biorąc, certyfikowane kruszywo żużlowe, idąc od dołu, znalazło zastosowanie w następujących częściach składowych konstrukcji drogowych:

– do wymiany gruntow,

– do dynamicznej wymiany gruntow metodą kolumn

kamiennych,

– w drenażu pionowym dla konsolidacji gruntow,

– w zalądowaniu,

– w geomateracach,

– w budowie nasypow,

– w warstwie mrozoochronnej,

– w warstwie technologicznej (podbudowa pomocnicza),

– w podbudowie zasadniczej,

– w grysach do warstw mineralno-asfaltowych.

Aktywność pucolanowa oznaczana jako wytrzymałość zaprawy wapienno-popiołowej rośnie w funkcji zawartości tych składników.

Są różne metody oznaczania aktywności pucolanowej popiołów tub pucolan
- naturalnych. Najlepsze, jednak długotrwale, są badania przyrostu wytrzymałości zaprawy z cementu, zawierającego obok klinkieru, wybrany dodatek zmielonego popiołu. Ten przyrost wytrzymałości porównuje się z zaprawą z cementu, w którym popiół zastąpiono zmielonym piaskiem, uchodzącym za dodatek obojętny.
Metoda ta jest najbardziej zbliżona do warunków rzeczywistych, jak wiadomo bowiem, na przebieg reakcji pucolanowej ma także wpływ skład mineralny stosowa-nego cementu.
Bada się także wytrzymałość zapraw złożonych z dwóch części piasku, 2,5 części popiołu i jednej części wapna, które po zarobieniu wodą zagęszcza się w formach pod ciśnieniem 10 MPa, uzyskując kostki sześcienne. Na oznaczoną aktywność pucolanową ma wpływ rodzaj i właściwości stosowanego wapna oraz
cementu.

Współczynnik aktywności to bezwymiarowy współczynnik pozwalający przeliczyć wielkości fizyczne o charakterze stężenia obliczane na podstawie ilości substancji i wielkości układu lub ciśnienie mierzone w sposób mechaniczny na wielkości o charakterze termodynamicznym nazywane aktywnością. Dla układów idealnych (gaz doskonały, roztwór doskonały) w których nie występują (lub mogą być pominięte) oddziaływania pomiędzy parami cząsteczek, a także w przypadku układów bardzo rozcieńczonych (niskie stężenie lub ciśnienie) współczynniki aktywności są równe jedności.

Powierzchnia właściwa - parametr skalarny wyrażający wielkość powierzchni substancji (ciała stałego) przypadającej na jego ilość. W zależności od tego jak rozumie się termin ilość substancji spotkać można rozmaite definicje powierzchni właściwej.