Wprowadzenie teoretyczne

1. Ogólna charakterystyka kruszyw lekkich

Kruszywa lekkie są to ziarniste materiały o strukturze porowatej, zapewniającej wyrobom lekkość i dobre właściwości termoizolacyjne. Stosowane są do wykonywania lekkich betonów, zapraw ciepłochronnych, a także jako warstwy termoizolacyjne. Lekkie kruszywa mają gęstość objętościową w stanie suchym nie większą niż 2000kg/ m³ lub gęstość nasypową w stanie luźnym nie większą niż 1200 kg/ m³. Rozróżnia się kruszywa lekkie: naturalne sztuczne oraz odpadowe. Na jakość kruszywa lekkiego zasadniczy wpływ ma:

1. rodzaj surowca, z jakiego zostało wytworzone (gliny, łupki przywęgłowe, popioły lotne, wapienie lekkie itd.)

2. technologia produkcji kruszywa(granulowanie, spiekanie spienianie, wypalanie, sposób chłodzenie itd.)

2. Klasyfikacja kruszyw lekkich

1. Kruszywo naturalne-są materiałami mineralnymi, uzyskiwanymi w wyniku łamania i kruszenia niektórych skał naturalnych, takich jak pumeks naturalny, tufy wulkaniczne, wapienie lekkie. Do kruszyw naturalnych, nie objętych ustaleniami normowymi, należą rozrobione odpady drzewne-trociny, wióry, stróżki itp

2. Kruszywo sztuczne- uzyskiwane z surowców mineralnych, których struktura uległa przemianie w wyniku stosowanej obróbki termicznej. Do tej grupy można dołączyć ziarniste minerały syntetyczne (polimerowe), np. granulki spienionego polistyrenu, stosowane do wyrobu lekkich betonów- styrobetonów, styrogipsów. Kruszywa sztuczne z naturalnych surowców mineralnych(z obróbką termiczną) to np.: keramzyt, perlit, szkło piankowe. Kruszywa sztuczne z odpadów przemysłowych(z obróbką termiczną) to np.. cegran, pregran, pollytag.

3. Kruszywo odpadowe-są to odpady przemysłowe wykorzystywane jako kruszywo bezpośrednio lub po beztemperaturowej obróbce lub modyfikacji odpadów. Przykłady: popiół lotny, żużel paleniskowy, łupkoporyt.

4. Kruszywo z recyklingu-pozyskiwane w wyniku odpowiedniej przeróbki materiałów użytkowanych już w obiektach budowlanych, np. z żelbetu, betonu.

3. Badania przeprowadzane dla kruszyw lekkich:

Badania właściwości fizycznych

• Nasiąkliwość i gęstość ziarn

• Gęstość nasypowa

• Wilgotność

• Zawartość pyłów mineralnych

• Kształt ziarna

• Współczynnik rozkruszenia

• Uziarnienie

• Reaktywność alkaliczno-krzemianowa

• Wytrzymałość na miażdżenie

• Mrozoodporność

Badania właściwości chemicznych

• Zawartość chlorków- Ogranicz się zawartość chlorków w betonie i zaprawie w celu zmniejszenia ryzyka korozji znajdującej się wewnątrz zbrojenia.

• Rozpad krzemianowy- występujący w żużlu krzemian dwuwapniowy 2CaO*SiO₂ może przechodzić w betonie w odmianę o większej objętości, co powoduje rozsadzanie ziarn żużla i pękanie betonu.

• Rozpad wapniowy - zachodzi przy przechodzniu tlenku wapniowego w wodorotlenek wapniowy, co może powodować pękanie i odpryski ziarn kruszywa.

• Rozpad żelazowy- Nadmiar żelaza dwuwartościowego, przy jednoczesnej obecności w kruszywie związków siarki, prowadzi do tworzenia się siarczku żelazowego Fes. Pod wpływem wody daje on Fe(OH)₂, czemu towarzyszy znaczny przyrost objętości(ok38%) powodujący rozpad żużla. Zawartość żelaza lub pirytu w ziarnach kruszywa może być przyczyna plam na powierzchni betonu.

• Zawartość siarki -może powodować powstawanie w betonie związków o zwiększonej objętości i prowadzić do destrukcji struktury. Związki siarki w kruszywie lekkim przy przeliczeniu na SO₃ powinny stanowić nie więcej niż 3%.

• Straty przy prażeniu -większe straty przy prażeniu mogą powodować pęcznienie betonów pod wpływem wilgoci dopuszczalna wartość strat wynosi max 6%.

• Zawartość zanieczyszczeń organicznych- w kruszywach lekkich z reguły nie występują. Mogą być przyczyna zakłócenia wiązania i twardnienia. Dopuszczalne ilości zanieczyszczeń to takie, które nie powodują zwiększenia czasu wiązania próbek zaprawy dłuższego niż 120min, oraz zmniejszenia wytrzymałości na ściskanie próbek zaprawy większego niż 20% po 28 dniach

• Zawartość pierwiastków niebezpiecznych: naturalnych pierwiastków promieniotwórczych uwalnianych metali ciężkich, węglowodorów poliaromatycznych i in.

4. Perlit

Nazywany jest w Polsce perlitoporytem. Lekkie kruszywo, powstałe z obróbki termicznej wulkanicznych skał krzemionkowych, które pęcznieją pod wpływem ciepła. Surowy materiał skalny zawiera niewielką ilość wody zwianej chemicznie(2-6%). W temperaturze powodującej mięknienie skały woda ta może być uwolniona czemu może towarzyszyć przyrost objętości skały. Skała po wydobyciu jest kruszona i poddawana obróbce w piecu obrotowym w temperaturze 900 ^oC, ulegajac spęcznieniu.

Perlit jest minerałem, który stanowi przeobrażona magmowa skała wylewna zbudowana ze szkliwa wulkanicznego, utworzona w dawnych epokach geologicznych.. Jest to uwodniony kwaśny glinokrzemian potasowo-sodowy, zawierający także inne pierwiastki. Jego skład to głównie krzemionka SiO₂ (65-75%), tlenki glinu, sodu, potasu, magnezu, wapnia i żelaza.

Al₂O₃ (10-18%), K₂O + Na₂O (6-9%), MgO +CaO (2-6%) oraz Fe₂O₃ (1-5%) .Jego skałd procentowy przedstawia wykres1.

Wykres1

Perlit jest minerałem o doskonałych właściwościach termoizolacyjnych i dźwiękochłonnych, ognioodpornych. Jest również odporny na działanie wilgoci i mikroorganizmów, obojętnym chemicznie i nieszkodliwym dla zdrowia.

W budownictwie perlit w postaci luźnej może służyć jako materiał izolacyjny bądź ciepłochłonny do ochrony cieplnej rurociągów z gorącą wodą, jako sypkie wypełnienie (zasyp) przestrzeni pomiędzy podwójnymi ścianami, ścian obiektów naziemnych (z ekstremalnymi temperaturami wewnątrz i z wilgocią), stropów nad pomieszczeniami chłodnymi lub bardzo ciepłymi, konstrukcji dachowych, przestrzeni pod posadzkami i stropami itp. Ponadto wykorzystywany jest m.in. jako składnik do:

1)produkcji szlachetnych zapraw i tynków,
2) lekkich betonów perlitowych (tzw. perlitobetonów),
3) ceramicznych kształtek izolacyjnych wytrzymujących ekstremalne warunki termiczne (kominy, chłodnie, zabezpieczenia ogniochronne konstrukcji budowlanych, przewody dymowe itp.). Formowany w płyty tworzy przekładki dźwiękochłonne w podłogach między kondygnacjami, podłoża pod tafle lodowe lodowisk krytych, sufity i ściany akustyczne w budowanych halach koncertowych, ekrany akustyczne przy arteriach komunikacyjnych itp.

Podstawowe parametry ilustruje tabela 1.

tabela 1

Podstawowe parametry:

Gęstość objętościowa	1200kg/m^3 (skały); po obróbce 50-200 kg/m^3
Gęstość Nasypowa	80-180 kg/m^3
Wytrzymałość na ściskanie	min. 0,7 MPa praktycznie 1,4-2,0 MPa
Nasiąkliwość	3-8%
Współczynnik spęcznienia	3-15
Współczynnik przewodnictwa cieplnego	Ok. 0.04-0.05 W/mK
Temperatura stosowania	Od -200 ^oC do 800 ^oC

Część praktyczna

1. Uziarnienie (wg PN-EN 933-1)

Uziarnienie oznacz się w wyniku analizy sitowej przy uzyciu zestawu sit. Kruszywo lekkie nie powinno zawierać podziarna w ilości powyżej 15% masy, podziarna- w ilos…ci powyżej 10% masy.

Badanie przeprowadzono dla dwóch próbek: 800g próbki frakcji 4/8 oraz 1600g próbki frakcji 8/16. Celem badania było sprawdzenie ilości nadziarna i podziarna. Dokonano tego przy użyciu zestawu sit: 0;4;8 dla pierwszej próbki i 0;8;16 dla drugiej. Po przesianiu zważono materiał, który pozostał na górnym sicie oraz na denku i obliczono jego procentową zawartość. Wyniki przedstawiono w tabeli 2 i tabeli 3.

Tabela 2

Oznaczenie składu ziarnowego frakcji 8/16

Frakcja 8/16
Masa próbki = 1600 g
I pomiar
Masa nadziarna[g]	69	Zawartość [%]	4,31
Masa podziarna[g]	111	Zawartość [%]	6,94
II pomiar
Masa nadziarna[g]	16	Zawartość [%]	1,00
Masa podziarna[g]	128	Zawartość [%]	8,00

Tabela 3Oznaczenie składu ziarnowego frakcji 4/8

Frakcja 4/8
Masa próbki = 800 g
Masa nadziarna[g]	95	Zawartość [%]	11,88
Masa podziarna[g]	88,49	Zawartość [%]	11,05

Wniosek:

Kruszywo o frakcji 4-8 nie spełnia wymagań normowych, ponieważ ilość nadziarna przekracza 10% masy kruszywa. Stąd nie może być stosowane jako kruszywo do betonu lekkiego. Natomiast kruszywo o frakcji 8-16 spełnia wymagania normowe, a zatem może być zastosowane w betonach lekkich.

2.2 Gęstość nasypowa w stanie luźnym (wg PN-EN 1097-3)

Gęstość nasypowa jest to stosunek masy do objętości liczonej wraz z porami oraz wolnymi przestrzeniami pomiędzy kruszywem. Podobnie jak poprzednio sprawdzimy gęstość dla próbek dwóch frakcji 4/8 i 8/16. Liczymy ją ze wzoru:

ρ _{n l} = m/V [kg/m³]

Badanie przeprowadzamy wsypując z wysokości 5 cm nad otworem kruszywo do cylindra o znanej objętości. Dokonujemy tego bez ubijania i zagęszczania aż do przepełnienia, po czym usuwamy nadmiar i ważymy kruszywo. Cylinder podobnie jak masę w innych próbach dobieramy w zależności od wielkości „D” wymiaru kruszywa. Dla D=8 będzie on miał 2dm³, natomiast dla D=16 będzie to 5dm³. Wyniki przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 3: Oznaczenie gęstości nasypowej

	Frakcja 8/16	Frakcja 4/8
Objętość cylindra[dm^3]	5	2
Masa kruszywa usypanego[kg]	3,046	1,471
Gęstość nasypowa [kg/ dm^3]	609	736
Wymagania
Gęstość nasypowa[kg/ dm^3]	<1200 kg/ dm^3

Wniosek:

Gęstość nasypowa kruszywa w obu przypadkach jest mniejsza niż 1200kg/m³, a więc jest to kruszywo lekkie i może być stosowane do produkcji betonu lekkiego.

2.3 Wskaźnik rozkruszenia

Stosowane są dwie metody pomiaru: dla kruszywa lekkiego o wymiarach ziaren 4-22mm i gęstości nasypowej powyżej 150 kg/ m³ oraz dla kruszywa o gęstości nasypowej poniżej 150 kg/ m³.

Badano keramzyt frakcji 8/16. Do cylindra usadowionego na metalowym spodzie wsypano 1,8dm³ próbki, którą następnie zważono. Następnie na kruszywie usadawiono tłok wsadowy zamykając tym samym cylinder. Tak przygotowane urządzenie umieszczono w prasie hydraulicznej i obciążano kruszywo do momentu gdy siła miażdżąca osiągnie wartość 50kN. Poddaną próbie miażdżenia próbkę wysypano na sito o frakcji 8/16 i przesiewno. Następnie zważono materiał, który pozostał na sicie.

Miarą tego badania jest wskaźnik rozkruszenia obliczany ze wzoru:

X _n = (m - m₁)/m * 100%

gdzie:

m₁ - masa materiału pozostałego na sicie = 1026g

m - masa próbki o objętości 1,8dm³ = 1090g

Wyniki:

m₁ = 1026g

X _n = 5,87%

Wymagania:

Wskaźnik rozkruszenia kruszywa powinien wynosić:

• Nie więcej niż 16% dla kruszyw przeznaczonych do betonów klasy LB 25

• Nie więcej niż 22% dla kruszyw przeznaczonych dla klasy poniżej LB 25 (obecnie LC 20/22)

Wniosek:

Uzyskany podczas badania wskaźnik rozkruszenia kruszywa frakcji 8-16 spełnia wymogi normy dla kruszyw przeznaczonych dla betonów klasy LB 25, gdyż maksymalny przewidywany wskaźnik wynosi 16%.

2,4 Oznaczenie wskaźnika kształtu ziaren

Wskaźnik ten obliczamy ze wzoru:

SI=M₂/ M₁ x 100[%]

M₁=masa badanej próbki

M₂=masa ziaren o niekorzystnych wymiarach-wydłużone, cienkie

Wyniki:

Tabela 4: Oznaczenie wskaźnika kształtu ziaren

Frakcja	Masa próbki[g]	Masa ziarn nieforemnych[g]	Wskaźnik kształtu[%]
8/16	1000	7,5	0,75

Wniosek:

Zawartość ziarn nieforemnych w badanym kruszywie wynosi 0,75%. Badane kruszywo może być stosowane do produkcji betonu lekkiego.

---