Politechnika Gdańska Rok akademicki 2013/14

WILiŚ

TECHNOLOGIA BETONÓW

KRUSZYWA

1) Wstęp teoretyczny

W trakcie danych ćwiczeń laboratoryjnych mieliśmy za zadanie zbadać jamistość, wskaźnik kształtu wilgotność kruszyw oraz określić ich gęstość nasypową i krzywą przesiewu.

Kruszywa jako materiał ziarnisty jest często używany w budownictwie i jako główny składnik betonu. Zajmuje on od 60% do 70% objętości betonu. Dodatkowo jest on jednym z najtańszych i najbardziej powszechnych składników betonu. Od jego właściwości zależy urabialność mieszanki betonowej i jej cechy charakterystyczne. Dlatego ważne jest zbadanie właściwości jakie posiada dane kruszywo zanim zostanie użyte w mieszance betonowej.

Kruszywa ze względu na klasyfikacje można podzielić na kruszywa naturalne (pochodzenia mineralnego, uzyskane w sposób naturalny), kruszywa sztuczne (pochodzenia mineralnego, ale uzyskane w procesach przemysłowych) oraz kruszywa pochodzące z recyklingu (powstają w wyniku przeróbki nieorganicznego materiału jak np. gruz). Najczęściej jednak używane w budownictwie są kruszywa pochodzenia naturalnego. Możemy je podzielić na trzy grupy skał: magmowe, osadowe i metamorficzne.

Ważną cechą kruszyw jest wielkość ziaren, według których istnieje podział kruszyw. Wymiary ziarna opisywane są symbolem d/D, gdzie d oznacza dolne sito na którym zatrzymało się ziarno a, D górne sito przez które przeszło ziarno. Dzięki temu można podzielić kruszywa na cztery typy. Pierwszy to kruszywa drobnoziarniste o wymiarach D mniejszym bądź równym 4mm, drugi to kruszywo gruboziarniste o D większym lub równym 4mm i d większym lub równym 2mm. Trzecim typem są kruszywa o D mniejszym lub równym 8mm, oraz ostatni czwarty typ kruszywo mieszane o średnic 0-45.

Kruszywo aby zostało użyte do mieszanki betonowej musi spełniać wszystkie wymagania normowe. Powinno składać się z ziaren niewrażliwych na przemarzanie, nie zawierać składników łamliwych, pylących czy też o budowie warstwowej. Nie może też przekraczać dopuszczalnych wartości dla jamistości czy uziarnienia. Ich niespełnienie może spowodować zniszczenie betonu a przez to katastrofę budowlaną. Należy więc wykonać niezbędne badania laboratoryjne zanim dane kruszywo zostanie użyte w celach budowlanych. Mieszanka kruszywa powinna pozwolić na uzyskanie wymaganych właściwości dla świeżego betonu, takich jak jednorodność, urabialność, zawartość powietrza, jak i stwardniałego, przez wytrzymałość, skurcz, przepuszczalności moduł sprężystości.

2) Badanie – przesiew kruszywa (analiza sitowa)

Badanie polegało na umieszczeniu suchego gruntu na zestawie sit o średnicach oczek 31,5; 16; 8; 4; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,125 ułożonych od dołu do góry od najmniejszej średnicy do największej. Na samym dole znajdował się pojemnik na ziarna stratne o średnicy mniejszej niż 0,125mm. Metoda przesiewania polegała na rozdzieleniu kruszyw na frakcje ziarnowe, zależne od zmniejszających się wymiarów. Zestaw sit z gruntem został umieszczony na wstrząsarce, której celem było rozdzielenie kruszyw o różnych wymiarach. Przesiany już grunt został zważony na wadze laboratoryjnej a wyniki zapisane w tabeli pomiarów. Odczyt wykonywaliśmy dla żwiru i piasku.

Piasek 0/2

Frakcje kruszywa d/D [mm]	Pozostałość na sicie Kruszywa ()	Przesiew %
	Masa –d [g]	[%]
16/31,5	0	0
8/16	0	0
4/8	0	0
2/4	10	1
1/2	145	14,5
0,5/1	328+1	32,9
0,25/0,5	398+2	40
0,125/0,25	106	10,6
0/0,125	10	1
Całkowita sucha masa	997 – 3g strat

Żwir 8/16 – 50%, 2/8- 50%

Frakcje kruszywa d/D [mm]	Pozostałość na sicie Kruszywa ()	Przesiew %
	Masa –d [g]	[%]
16/31,5	107	10,7
8/16	298+3	30,1
4/8	269+1	27
2/4	246	24,6
1/2	52	5,2
0,5/1	18	1,8
0,25/0,5	6	0,6
0,125/0,25	0	0
0/0,125	0	0
Całkowita sucha masa	996 - 4g strat

3) Gęstość nasypowa

Gęstość nasypowa jest to badanie określające stosunek masy próbki gruntu do jej objętości wraz z porami w ziarnach i przestrzeniami międzyziarnowymi. Określaliśmy ją w stanie luźnym oraz w stanie zagęszczonym . Gęstość nasypowa charakteryzuje wszystkie materiały sypkie.

Gęstość nasypową w stanie zagęszczonym badamy w cylindrze o masie i objętości . Cylinder wypełniliśmy kruszywem a następnie zagęszczaliśmy 3 minuty. Następnie jeśli powierzchnia kruszywa obniżyła się należało dosypać kruszywa i zagęszczać przez kolejną minutę. Po zakończeniu zagęszczania na stoliku wibracyjnym należało dosypać brak kruszywa, wyrównać nadmiar metalowym zgarniakiem i całość zważyć. Gęstość nasypową w stanie zagęszczonym można było obliczyć ze wzoru : , gdzie oznaczało masę pojemnika z zagęszczoną próbką, a masę pustego pojemnika.

Gęstość nasypowa w stanie luźnym została zbadana w cylindrze o tych samych parametrach jak gęstość nasypowa w stanie zagęszczonym. Pojemnik należało wypełnić kruszywem sypanym czerpakiem opartym o górną krawędź. Nadmiar wsypanego kruszywa należało usunąć ostrożnie stalowym zgarniakiem. Następnie wypełniony cylinder należało zważyć z dokładnością do 0,1%. Gęstość nasypową w stanie luźnym można było wyliczyć ze wzoru , gdzie oznaczała masę pojemnika z próbką kruszywa w stanie luźnym.

Badanie zostało wykonane dla piasku i żwiru.

Piasek-0/2

Masa kruszywa w stanie:	Gęstość nasypowa w stanie:
Luźnym [kg]	Zagęszczonym [kg]
3,217	3,674

Żwir- 2/16

Masa kruszywa w stanie:	Gęstość nasypowa w stanie:
Luźnym [kg]	Zagęszczonym [kg]
3,381	3,796

4) Jamistość

Jamistość jest to objętość wolnych przestrzeni pomiędzy ziarnami kruszywa znajdującego się w całkowitej objętości kruszywa. Obliczamy ją dla kruszywa w stanie luźnym i zagęszczonym wg wzoru dla luźnego: i dla zagęszczonego: . Dla badanego przez nas kruszywa . Sprawdzenie jamistości wykonywaliśmy dla piasku i żwiru uzyskując następujące wyniki.

Obliczenia:

Jamistość dla piasku:

-W stanie luźnym:

-W stanie zagęszczonym:

Jamistość dla żwiru:

-W stanie luźnym:

-W stanie zagęszczonym:

5) Wskaźnik kształtu

Wskaźnik kształtu pozwalał określić czy badane kruszywo złożone jest z ziaren nieforemnych czy foremnych. Ziarna nieforemne są to kruszywo dla którego wskaźnik kształtu ma wartość więcej niż 3. Każde kruszywo w mieszance należało zmierzyć suwmiarką Schultza sprawdzając czy wysokość ziarna jest proporcjonalna do jego grubości. Każde ziarno zostało zmierzone między szczękami głównymi. Jeżeli samo ziarno przechodziło bokiem przez rozstaw bocznych szczęk uznawane było za nieforemne. Wskaźnik kształtu określaliśmy za pomocą wzoru: , gdzie: M₁ – masa próbki analitycznej [g], M₂ – masa ziaren nieforemnych [g]

Otrzymane wyniki:

6) Wilgotność kruszywa

Wilgotność mówi o zawartości wody w masie kruszywa, która jest możliwa do usunięcia w trakcie suszenia. Próbkę analityczną o znanej masie należało wysuszyć w suszarce o temperaturze 110C do uzyskania stałej masy. Następnie pusta płytka Petriego została zważona, wypełniona suchym gruntem i powtórnie zważona. Wilgotność kruszywa mogliśmy obliczyć ze wzoru:

Uzyskane wyniki:

Piasek

Masa pustej płytki Petriego [g]	Masa kruszywa + masa płytki Petriego	Wilgotność piasku [%]
	Przed suszeniem [g]	Po suszeniu [g]
58,13	112,2	-
57,05	-	105,75

Żwir

Masa pustej płytki Petriego [g]	Masa kruszywa + masa płytki Petriego	Wilgotność żwiru [%]
	Przed suszeniem [g]	Po suszeniu [g]
53,99	107,19	-
56,18	-	106,24

Obliczenia:

Dla piasku:

Dla żwiru

7) Wnioski

Metoda przesiewania

Badany przez nas żwir i piasek znacznie odbiegają od wartości kruszywa o dobrym uziarnieniu. Żwir ma dużo większe wartości, a piasek mieści się w przedziale jedynie dla frakcji które pozostały na sitach o średnicach 2. Kruszywo w tej formie nie nadaje się do mieszanek betonowych i znacznie obniżyłoby jego klasę oraz zmieniłoby konsystencje. Należy więc zmienić mieszankę kruszyw poprzez dodanie żwiru i piasku innych frakcji w odpowiednich proporcjach do momentu aż krzywa uziarnienia danego materiału nie znajdzie się w wymaganym przedziale.

Gęstość nasypowa

Gęstość nasypowa nie ma określonych normami granic dopuszczalnych. W naszym badaniu różnica pomiędzy gęstością nasypową w stanie zagęszczonym między piaskiem a żwirem wynosi 0,06 a pomiędzy stanem luźnym 0,08. Można więc zauważyć, że ich gęstości nie różnią się znacznie od siebie.

Jamistość

Dopuszczalna wartość jamistości dla kruszyw wynosi do 25-35%. Badane przez nas kruszywa spełniają wymogi jedynie w stanie zagęszczonym. Oznacza to dla nas, że nie musimy zużywać większej ilości cementu aby zapełnić wolne przestrzenie pomiędzy ziarnami. Jamistość powyżej 35% jest niekorzystną wartością znacznie osłabiającą mieszankę cementową, przez dużą ilość wolnego miejsca pomiędzy ziarnami kruszywa która może zostać wypełniona gromadzącą się wodą. Przy ujemnych temperaturach mogłoby to spowodować jej zamarznięcie i rozsadzenie betonu. Różnica pomiędzy piaskiem i żwirem dla stanu luźnego wynosi 3,01%, a dla stanu zagęszczonego 2,27%.

Ziarno nieforemne

Wskaźnik ten znacznie wpływa na większość cech betonu, szczególnie na jego mrozoodporność i wodoszczelność. Badane przez nas kruszywo miało aż 42,62% ziaren nieforemnych. Tak duża ilość ziaren może mieć szkodliwy wpływ na mieszankę betonową. W takim przypadku zwiększa się zużycie cementu w betonie przez nieszczelne układanie się kruszyw i powstawanie wolnych przestrzeni które należy wypełnić. Układanie się w ten sposób kruszyw może zwiększyć również możliwość gromadzenia się wody pod ziarnami i powstawania pustek powietrznych które osłabiłyby strukturę betonu. Należy więc zmniejszyć dla naszej mieszanki zawartość ziaren nieforemnych aby obniżyć wskaźnik kształtu. Duża ilość kruszywa nieforemnego daje beton trudny do zagęszczenia, nasiąkliwy i o małej wytrzymałości. Najlepsze do betonu będą kruszywa o ziarnach zbliżonych kształtem do kuli czy sześcianu. Wymagania dotyczące kształtu kruszywa można znaleźć w normie PN-EN-933-4:2001.

Wilgotność

Dla badanego przez nas piasku wilgotność wyniosła 11,17% zaś dla żwiru 6,27%. Im kruszywo jest drobniejsze tym więcej wody może zatrzymać, dlatego też żwir jako kruszywo o grubszej strukturze ma o połowę mniejszą wilgotność od piasku. Należy uwzględnić wilgotność materiału przy wytwarzaniu mieszanki betonowej, ponieważ piaski o wilgotności około 8% pęcznieją nawet do 30%. Należy to mieć na uwadze przy dozowaniu kruszywa drobnego do betoniarki.